MÓDULO DE BATERÍA DE POTENCIA, BATERÍA, PROCEDIMIENTO DE CARGA DEL MÓDULO, Y VEHÍCULO QUE PRESENTA DICHA BATERÍA.

Módulo de batería de potencia, batería, procedimiento de carga del módulo, y vehículo que presenta dicha batería. La presente invención se refiere a un módulo de batería que comprende unas células recargables con una temperatura nominal de funcionamiento superior a 20ºC. Un campo de aplicación de la invención es el de las baterías de potencia, tales como, por ejemplo, las que sirven de fuente de energía para accionar un tren de tracción en los vehículos eléctricos. Evidentemente, el módulo de batería puede tener otras aplicaciones, por ejemplo para alimentar aparatos fijos. Estas aplicaciones con baterías de potencia utilizan, por ejemplo, células de tecnología litio-metal-polímero. Uno de los objetivos de las baterías de potencia es obtener una densidad de energía lo más grande posible. Así, las células de litio-metal-polímero realizadas por ensamblaje de películas permiten obtener unas densidades de energía específica y volúmica superiores respectivamente a 100 W.h/kg y 100 W.h/l. Otro objetivo de la industria de las baterías de potencia es producir módulos de batería que tengan una gran duración de vida, dado que una gran duración de vida es un factor que les permite competir a la larga con los motores de combustión en las aplicaciones a los vehículos automóviles. De una manera general, las células a las que se refiere la invención son del tipo de las que deben calentarse a su temperatura nominal de funcionamiento mediante un órgano de calentamiento. En un módulo, las células están conectadas entre dos bornes exteriores de conexión. Una batería está formada, por ejemplo, por varios módulos que tienen sus bornes de conexión unidos en serie. Las células se pueden encontrar en tres estados: carga, descarga o regeneración. Las células se pueden cargar conectándolas a un cargador exterior adaptado. El estado de descarga corresponde a la alimentación con corriente eléctrica del aparato consumidor de energía desde las células. El estado de regeneración corresponde a la situación en la que el aparato consumidor de energía recarga las células, como, por ejemplo, en el caso de un vehículo eléctrico en situación de frenado, en la que se proporciona una corriente eléctrica de regeneración desde el tren de tracción a las células de la batería. Con el fin de preservar la duración de vida de los módulos y de la batería, es importante respetar ciertas condiciones de utilización en carga. En efecto, debido a las grandes densidades de energía, circula una corriente de carga muy elevada entre la entidad que forma el cargador y el módulo de batería o la batería. Una carga de la batería o del módulo de batería a una temperatura demasiado baja favorece de manera sensible la formación de dendritas en las células, lo cual implica una disminución de su duración de vida. El documento WO 99/31 752 describe un sistema de control de batería que sirve para la alimentación de emergencia de un equipo, tal como un calculador o un equipo de telecomunicaciones, normalmente alimentado desde un rectificador de red de distribución de electricidad. Mediante este sistema de control, la batería se carga desde el rectificador de red y, en caso de fallo de la red de alimentación, se descarga en el equipo. El sistema comprende un modo de reposo, en el que se detecta la tensión del rectificador de red, para pasar a continuación a un modo frío. En modo frío, el sistema utiliza la corriente proporcionada por el rectificador de red para calentar las células de la batería a una temperatura de 60ºC. Una vez que se alcanza esta temperatura de 60ºC, el sistema pasa a modo de carga, en el que se cierra un interruptor colocado entre los bornes de la batería y las células para cargar la batería a partir del rectificador de red. Por tanto, se comprende que durante la mayor parte del tiempo, es decir, en ausencia de fallos, dicho sistema no está en descarga, sino que sigue estando unido a una entidad cargadora. Este sistema presenta el inconveniente de no poder prescindir de una red de alimentación exterior unida permanentemente a la batería como entidad cargadora de la batería. Este sistema se utiliza ocasionalmente en ciclo de carga y de descarga, es decir, mucho menos del 1% del tiempo, y no de manera intensidad en carga y en descarga. Por el contrario, en una utilización de la batería como alimentación única y autónoma de un equipo tal como un vehículo automóvil, los módulos de batería se someten a un mayor número de esfuerzos debidos a la proporción 2 E08708597 28-10-2011   más grande de ciclos de carga y de descarga, superior al 20% del tiempo. Por tanto, este sistema según el documento WO 99/31 752 se presta mal a una utilización de la batería como alimentación única y autónoma de un equipo, tal como, por ejemplo, un vehículo automóvil. Este sistema según el documento WO 99/31 752 no es apropiado, por su topología, para una puesta en serie de varios módulos de batería. El documento DE 196 14 435 describe un módulo de batería que comprende bornes distintos de carga y de utilización y que comprende asimismo un elemento de calentamiento. La invención pretende obtener un módulo de batería y una batería que se presten a aplicaciones en las que el módulo de batería o la batería no se conecten permanentemente a una entidad cargadora, sino que, por el contrario, deban tener una gran autonomía de descarga sobre un equipo consumidor, y que permitan controlar el proceso de calentamiento y de carga de las células, preservar la duración de vida del módulo de batería o de la batería y conservar una gran densidad de potencia en una utilización intensiva. A este efecto, un primer objeto de la invención es un módulo de batería de potencia que comprende una multiplicidad de células recargables que tienen una temperatura nominal de funcionamiento en carga superior a 20ºC, dos bornes exteriores de utilización de las células y por lo menos un órgano de calentamiento eléctrico de las células, caracterizado porque comprende además un circuito de gestión de carga de las células, que comprende: - dos bornes exteriores de carga de las células que están destinados a conectarse a un cargador exterior y de los que por lo menos uno, denominado segundo borne de carga, es distinto de los bornes de utilización, - unos primeros medios de interrupción/conexión entre dicho por lo menos un segundo borne de carga y por lo menos uno de los bornes de utilización, denominado primer borne de utilización, siendo aptos los primeros medios de interrupción/conexión para encontrarse en una u otra de una primera posición de interrupción para impedir el paso de corriente entre el segundo borne de carga y el primer borne de utilización, y una segunda posición de conexión del segundo borne de carga y del primer borne de utilización, - unos segundos medios de unión entre los bornes de carga y el órgano de calentamiento para unir, por lo menos en la primera posición de interrupción de los primeros medios de interrupción/conexión, los bornes de carga al órgano de calentamiento para la alimentación con electricidad del órgano de calentamiento. Por ejemplo, los dos bornes de carga son unos segundos bornes de carga, distintos de los bornes de utilización, denominados primeros bornes de utilización, estando previstos los primeros medios de interrupción/conexión entre los segundos bornes y los primeros bornes. Están previstos unos modos de realización de la invención para resolver, en particular, los problemas relacionados con la puesta en serie de varios módulos por sus bornes de utilización. En efecto, un objetivo es obtener un módulo de batería que sea de utilización flexible y se pueda utilizar, en particular, de una manera no autodestructiva en el caso de una puesta en serie, exigida para la alimentación única y autónoma de un equipo tal como, por ejemplo, un vehículo automóvil. En este caso, aparecen grandes esfuerzos técnicos debidos a las tensiones elevadas (varios centenares de voltios), que son potencialmente destructoras de los interruptores utilizados en cada módulo. Según unos modos de realización de la invención: - los segundos medios de unión comprenden por lo menos un interruptor de calentamiento que tiene una entrada de control de apertura y de cierre en serie con el órgano de calentamiento, estando conectado este circuito en serie entre los bornes de carga, estando unida la entrada de control a unos medios de activación de apertura que comprenden una entrada de control para poner el interruptor de calentamiento en posición de apertura en presencia de una señal de control de apertura sobre dicha entrada de control, estando previstos unos terceros medios en el módulo para que el cierre del interruptor de calentamiento sea independiente de los medios de activación de apertura y de la entrada de control;... [Seguir leyendo]

1. Módulo de batería de potencia, que comprende una multiplicidad de células (10) recargables que tienen una temperatura nominal de funcionamiento en carga superior a 20ºC, dos bornes exteriores (23, 24) de utilización de las células y por lo menos un órgano de calentamiento eléctrico de las células, caracterizado porque comprende además un circuito (50) de gestión de carga de las células, que comprende: - dos bornes exteriores (21, 22) de carga de las células que están destinados a conectarse a un cargador exterior y de los que por lo menos uno, denominado segundo borne de carga, es distinto de los bornes (23, 24) de utilización, - unos primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión entre dicho por lo menos un segundo borne (21, 22) de carga y por lo menos uno de los bornes (23, 24) de utilización, denominado primer borne (23, 24) de utilización, siendo aptos los primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión para encontrarse en una u otra de una primera posición de interrupción para impedir el paso de corriente entre el segundo borne (21, 22) de carga y el primer borne (23, 24) de utilización, y una segunda posición de conexión del segundo borne (21, 22) de carga y del primer borne (23, 24) de utilización, - unos segundos medios (60) de unión entre los bornes (21, 22) de carga y el órgano (33) de calentamiento para unir, por lo menos en la primera posición de interrupción de los primeros medios de interrupción/conexión, los bornes (21, 22) de carga al órgano (33) de calentamiento para la alimentación del órgano (33) de calentamiento con electricidad. 2. Módulo de batería según la reivindicación 1, caracterizado porque los dos bornes (21, 22) de carga son unos segundos bornes de carga, distintos de los bornes (23, 24) de utilización denominados primeros bornes de utilización, estando previstos los primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión entre los segundos bornes (21, 22) y los primeros bornes (23, 24). 3. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segundos medios (60) de unión comprenden por lo menos un interruptor (34) de calentamiento, que tiene una entrada (61) de control de apertura y de cierre, en serie con el órgano (33) de calentamiento, estando conectado este circuito en serie entre los bornes (21, 22) de carga, estando unida la entrada (61) de control a unos medios (70) de activación de apertura que comprenden una entrada (73, 76) de control para poner el interruptor de calentamiento en posición de apertura en presencia de una señal de control de apertura sobre dicha entrada de control (73, 76), estando previstos unos terceros medios en el módulo para que el cierre del interruptor (34) de calentamiento sea independiente de los medios (70) de activación de apertura y de la entrada (73, 76) de control. 4. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segundos medios (60) de unión comprenden por lo menos un interruptor (34) de calentamiento, que tiene una entrada (61) de control de apertura y de cierre, en serie con el órgano (33) de calentamiento, estando conectado este circuito en serie entre los bornes (21, 22) de carga, estando unida la entrada (61) de control a unos terceros medios (37, 38) de activación automática de cierre del interruptor (34) de calentamiento en presencia de una tensión entre los bornes (21, 22) de carga, y a unos medios (70) de activación de apertura que comprenden una entrada (73, 76) de control para poner el interruptor de calentamiento en posición de apertura en presencia de una señal de control de apertura sobre dicha entrada de control (73, 76). 5. Módulo de batería según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque la entrada (73) de control de los medios (70) de activación de apertura está optoaislada con respecto a la entrada (61) de control del interruptor (34) de calentamiento. 6. Módulo de batería según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque los medios (70) de activación de apertura comprenden un interruptor (74) cuya vía principal de interrupción/conducción de corriente está unida en paralelo al circuito en serie formado por el interruptor (34) de calentamiento y el medio (53) de interrupción, y cuyo borne (76) de control sirve de entrada de control de apertura. 7. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque los terceros medios (37, 38) comprenden unos órganos (37, 38) de polarización de la entrada (61) de control a partir de los bornes (21, 22) de carga. 8. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segundos medios (60) de conexión comprenden en serie con el órgano (33) de calentamiento por lo menos un interruptor (34) de calentamiento que tiene una entrada (61) de control de apertura y de cierre, estando conectado este circuito en serie 12 E08708597 28-10-2011   entre los bornes (21, 22) de carga, estando unida la entrada (61) de control del interruptor (34) de calentamiento a un medio (39) de limitación de tensión. 9. Módulo de batería según la reivindicación 8, caracterizado porque el medio (39) de limitación de tensión comprende por lo menos un diodo Zener. 10. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 9, caracterizado porque el interruptor (34) de calentamiento comprende por lo menos un transistor (36) cuya vía principal de interrupción/conducción de corriente está en serie con el órgano (33) de calentamiento y cuyo borne de control de la vía principal sirve de entrada (61) de control. 11. Módulo de batería según la reivindicación 10, caracterizado porque el transistor (36) del interruptor (34) de calentamiento es un transistor MOS cuya sección de drenaje-fuente forma la vía principal de interrupción/conducción de corriente y cuya rejilla sirve de entrada (61) de control. 12. Módulo de batería según las reivindicaciones 9 y 11 consideradas juntas, caracterizado porque el diodo Zener está en paralelo con la sección de rejilla-fuente del transistor MOS (36) del interruptor (34) de calentamiento. 13. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segundos medios (60) de unión comprenden, en serie con el órgano (33) de calentamiento entre los bornes (21, 22) de carga, por lo menos un fusible térmico (35) de protección contra temperaturas que exceden una temperatura prescrita superior a la temperatura nominal de funcionamiento en carga de las células. 14. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende por lo menos una unidad (26, 27) de medición de la temperatura en por lo menos una zona del módulo y unos medios (28) de control de la posición de los primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión, siendo sensibles dichos medios (28) de control a la temperatura medida por la unidad (26, 27) de medición para controlar el paso a la posición de conexión de los primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión, cuando la temperatura mínima proporcionada por la unidad (26, 27) de medición es superior o igual a la temperatura nominal de funcionamiento en carga prescrita para dichos medios (28) de control. 15. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los segundos medios (60) de unión comprenden por lo menos un interruptor (34) de calentamiento, que tiene una entrada (61) de control de apertura y de cierre, en serie con el órgano (33) de calentamiento, estando conectado este circuito en serie entre los bornes (21, 22) de carga, comprendiendo el módulo unos medios (28) de control unidos a la entrada (61) de control para abrir el interruptor (34) de calentamiento solamente en posición de conexión de los primeros medios (53, 54) de interrupción/desconexión. 16. Módulo de batería según las reivindicaciones 14 y 15 consideradas juntas, caracterizado porque el órgano (33) de calentamiento está asociado respectivamente a la unidad (26, 27) de medición de temperatura en dicha zona (Z1, Z2) del módulo, y los medios (28) de control están previstos para, en posición de conexión de los primeros medios (53, 54) de interrupción/conexión, provocar la apertura del interruptor (34) de calentamiento cuando la temperatura medida de la unidad (26, 27) asociada sea superior a una primera temperatura prescrita (Tc+DT), superior a la temperatura nominal de funcionamiento en carga, y provocar el cierre del interruptor (34) de calentamiento cuando la temperatura medida de la unidad (26, 27) asociada sea inferior a una segunda temperatura prescrita (Tc-DT), inferior a la temperatura nominal de funcionamiento en carga y superior a 20ºC. 17. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 14 y 16, caracterizado porque está prevista una unidad de medición (26, 27) de temperatura en por lo menos dos zonas diferentes (Z1, Z2) del módulo. 18. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las células están realizadas por unos ensamblajes de películas delgadas. 19. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las células tienen una temperatura nominal de funcionamiento en carga superior a 80ºC. 20. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las células son del tipo de litio-metal-polímero. 21. Módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un medio de producción de una consigna cuantitativa de carga y un primer acceso de comunicación hacia el exterior apto para transmitir la consigna cuantitativa de carga. 22. Batería, caracterizada porque comprende en una caja de batería una pluralidad de módulos de batería según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando unidos los módulos por sus bornes (23, 24) de utilización en la caja, comprendiendo la batería por lo menos dos bornes (23, 24) de utilización accesibles desde el exterior de la 13 E08708597 28-10-2011   caja y unidos a los módulos y por lo menos dos bornes (21, 22) de carga accesibles desde el exterior de la caja y unidos a los módulos. 23. Batería según la reivindicación 22, caracterizada porque los bornes (23, 24) de utilización de los módulos están unidos uno a continuación del otro en serie en la caja, uno de los bornes exteriores (23, 24) de utilización está unido al borne (23) de utilización con la tensión más baja del conjunto de los módulos y el otro borne exterior (24) de utilización de la batería está unido al borne (24) de utilización con la tensión más alta del conjunto de los módulos. 24. Batería según cualquiera de las reivindicaciones 22 y 23, caracterizada porque los bornes (21, 22) de carga de cada módulo son accesibles desde el exterior de la caja. 25. Batería según cualquiera de las reivindicaciones 22 y 23, caracterizada porque los módulos están unidos por sus bornes (21, 22) de carga en la caja, comprendiendo la batería dos bornes (21, 22) de carga, accesibles desde el exterior de la caja y unidos a los módulos. 26. Batería según la reivindicación 23, caracterizada porque los bornes (21, 22) de carga de los módulos están unidos uno a continuación del otro en serie en la caja, uno de los bornes exteriores (21, 22) de carga está unido al borne (21) de carga con la tensión más baja del conjunto de los módulos y el otro borne exterior (22) de carga de la batería está unido al borne (22) de carga con la tensión más alta del conjunto de los módulos. 27. Batería según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 26, caracterizada porque la batería comprende un medio de producción de una consigna cuantitativa de carga de los módulos y un primer acceso de comunicación hacia el exterior, apto para transmitir la consigna cuantitativa de carga. 28. Procedimiento de carga de un módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21 a partir de un cargador exterior, caracterizado porque el por lo menos un segundo borne exterior (21, 22) de carga es desconectado primero con respecto al por lo menos un primer borne exterior (23, 24) de utilización distinto del por lo menos un segundo borne exterior (21, 22) de carga, el cargador es conectado a los bornes exteriores (21, 22) de carga para aplicar en los mismos una tensión, el órgano (33) de calentamiento es conectado a los bornes exteriores (21, 22) de carga para calentar las células (10) del módulo a partir de la tensión del cargador por lo menos a la temperatura nominal de funcionamiento en carga en el curso de una fase inicial de calentamiento, y después de la fase inicial de calentamiento, se conecta el por lo menos un primer borne exterior (23, 24) de utilización al por lo menos un segundo borne exterior (21, 22) de carga para cargar las células (10) a partir de la tensión del cargador. 29. Procedimiento según la reivindicación 28, caracterizado porque los dos bornes (21, 22) de carga son unos segundos bornes de carga, distintos de los bornes (23, 24) de utilización, denominados primeros bornes de utilización, antes y durante la fase inicial de calentamiento, los dos bornes (21, 22) de carga son desconectados con respecto a los bornes (23, 24) de utilización hasta que las células sean calentadas a su temperatura nominal de funcionamiento en carga, después de la fase inicial de calentamiento, las células se cargan a partir de la tensión del cargador desde los segundos bornes (21, 22) de carga, por la conexión de los bornes (21, 22) de carga a los bornes (23, 24) de utilización de las células. 30. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 28 y 29, caracterizado porque por lo menos una unidad de medición (26, 27) prevista en por lo menos una zona (Z1, Z2) del módulo mide la temperatura, y un calculador (28) del módulo, unido a la unidad (26, 27) de medición, vigila la temperatura medida de las células y controla la conexión del por lo menos un primer borne exterior (23, 24) de utilización al por lo menos un segundo borne exterior (21, 22) de carga cuando la temperatura mínima medida es superior o igual a la temperatura nominal de funcionamiento en carga. 31. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 28 a 30, caracterizado porque por lo menos un interruptor (34) de calentamiento, que comprende una entrada (61) de control de apertura y de cierre, está en serie con el órgano (33) de calentamiento, estando conectado este circuito en serie entre los dos bornes exteriores (21, 22) de carga, el interruptor (34) de calentamiento se cierra automáticamente en presencia de la tensión del cargador sobre los bornes exteriores (21, 22) de carga durante la fase inicial de calentamiento, 14 E08708597 28-10-2011   un calculador del módulo vigila la entrada de control para provocar por lo menos temporalmente la apertura del interruptor de calentamiento únicamente cuando los bornes (21, 22) de carga están conectados a los bornes (23, 24) de utilización de las células. 32. Procedimiento según las reivindicaciones 30 y 31 consideradas juntas, caracterizado porque el órgano (33) de calentamiento está asociado respectivamente a la unidad (26, 27) de medición de temperatura en dicha zona (Z1, Z2) del módulo, y cuando los bornes (21, 22) de carga son conectados a los bornes (23, 24) de utilización de las células, el calculador controla la entrada (61) de control para provocar la apertura del interruptor (34) de calentamiento cuando la temperatura medida de la unidad (26, 27) asociada sea superior a una primera temperatura prescrita (Tc+DT), superior a la temperatura nominal de funcionamiento en carga, y para provocar el cierre del interruptor (34) de calentamiento cuando la temperatura medida de la unidad (26, 27) asociada sea inferior a una segunda temperatura prescrita (Tc-DT), inferior a la temperatura nominal de funcionamiento en carga y superior a 20ºC. 33. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 30 y 32, caracterizado porque está prevista una unidad de medición (26, 27) de temperatura en por lo menos dos zonas diferentes (Z1, Z2) del módulo. 34. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 28 a 33, caracterizado porque el módulo de batería está alojado en un vehículo automóvil. 35. Vehículo automóvil, que comprende un tren de tracción y por lo menos una batería según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 27 para alimentar por lo menos temporalmente el tren de tracción con energía eléctrica. 36. Vehículo automóvil según la reivindicación 35, caracterizado porque comprende además una estructura de carga que tiene por lo menos un cargador (CHG) para la carga de los módulos de batería, comprendiendo el cargador (CHG): - por lo menos un acceso (CXALEXT) de conexión del cargador (CHG) a una alimentación eléctrica exterior, - unos bornes (SCH) de salida unidos eléctricamente a los bornes de carga (21, 22) de los módulos, - un medio (MCH) de carga con energía eléctrica de las células a partir de la alimentación eléctrica exterior (ALEXT), estando unido el medio (MCH) de carga a los bornes (SCH) de salida. 37. Vehículo automóvil según la reivindicación 36, caracterizado porque el cargador (CHG) comprende: - un segundo acceso (ACCINFCH) de comunicación con el exterior del cargador, apto para recibir por lo menos un mensaje (MCH2) que contiene la consigna cuantitativa de carga (CONSCH), - unos medios automáticos de control (COMCH) unidos al segundo acceso (ACCINFCH) de comunicación para imponer al medio de carga la consigna cuantitativa de carga (CONSCH), estando previsto el medio (MCH) de carga para cargar con energía eléctrica las células a partir de la alimentación eléctrica exterior (ALEXT) según la consigna cuantitativa de carga (CONSCH) presente en el segundo acceso (ACCINFCH) de comunicación. 38. Vehículo automóvil según la reivindicación 37, caracterizado porque la batería comprende un medio de producción de una consigna cuantitativa de carga de los módulos y un primer acceso de comunicación hacia el exterior, unido al segundo acceso (ACCINFCH) de comunicación del cargador para transmitirle la consigna cuantitativa de carga. E08708597 28-10-2011   16 E08708597 28-10-2011   17 E08708597 28-10-2011   18 E08708597 28-10-2011   19 E08708597 28-10-2011   E08708597 28-10-2011   21 E08708597 28-10-2011   22 E08708597 28-10-2011