SISTEMA DE GESTIÓN DE BATERÍAS.

La presente invención se refiere a sistemas de gestión de baterías, para su implementación en circuitos electrónicos integrados, y, más particularmente, en técnicas de integración en gran escala comúnmente conocidas como Sistema en Chip o Sistema Integración Nivel. En el campo de la gestión de baterías, es altamente deseable poder monitorizar y/o controlar un número de parámetros que afectan al rendimiento de las baterías. Por ejemplo, un sistema de gestión de baterías podría incluir alguno de las siguientes funcionalidades: Estado de Carga (SoC) medidor, para determinar la cantidad restante de energía almacenada; Estado de Salud (SoH) medidor, para determinar la esperanza de vida de la batería; Monitor de protección de la batería, para asegurar la operatividad segura de la batería; El regulador de Control de Carga, para cargar la corriente y voltaje; y El Equilibrador de la Pila, para asegurar que la máxima energía sea almacenada y proporcionada sin activar el circuito de protección. Actualmente se emplean muchos circuitos electrónicos diferentes para proporcionar las funcionalidades descritas arriba. La industria actual de implementación hace uso de hasta siete circuitos integrados para proporcionar una solución total, con solo unos pocos dispositivos contenidos dentro del pack de la batería. Equilibrador de pila, cargador y algunos procesadores de datos que se albergan dentro del sistema de almacenado. Los fabricantes de semiconductores han desarrollado circuitos electrónicos integrados específicos que proporcionan una o más de estas características en un intento de reducir costes y minimizar el tamaño de las soluciones. Tales ejemplos de dispositivos son el circuito integrado (IC) de Fuel Gauging que proporciona SoC, el IC de Protección que monitoriza la operatividad segura de la batería, el IC del Equilibrador pasivo de Pila que garantiza la recarga segura de series múltiples de pilas de batería. Se requieren, por tanto, un número de circuitos integrados y circuitos adicionales diferenciados, para construir un sistema completo de gestión de baterías. Los problemas que no se tratan actualmente son: La determinación exacta y compensación de la corriente de descarga de la propia batería; La compensación del SoC de la temperatura operativa de la batería; el equilibrio de las pilas durante la descarga; La determinación exacta del SoH (estado de salud); y aplicación de la gestión de la batería para aumentar la carga de la pila (mayor que 8 series o pilas conectadas paralelamente) Equilibrio Pasivo de Pila Una única batería de pila de Ión de litio proporciona in resultado nominal de voltaje de alrededor 3.7V y tiene un rango reducido de operatividad segura de entre 3V y 4.3V. Si el voltaje de la pila se aparta fuera de esta zona segura, durante su descargado o durante su cargado, la pila de Ion de litio sería dañada irreparablemente y bajo ciertas circunstancias hay un riesgo de fallo catastrófico que puede resultar en un incendio o en una explosión. Un circuito interno de protección como el descrito anteriormente impide que la pila sea sobrecargada o descargada. En paquetes de baterías con pilas múltiples, las baterías se encuentran conectadas en series para proporcionar un mayor resultado de voltaje para su uso en aplicaciones que requieran una mayor capacidad de energía tales como ordenadores portátiles y vehículos eléctricos. Cada pila tiene características eléctricas ligeramente distintas, debido a variaciones en su ensamblaje y composición química. En el paquete de pilas múltiples, el circuito de protección debe actuar en los voltajes de la pila más reducidos y/o más altos. Esto significa que los paquetes de baterías pueden ser limitados para solo una descarga de la pila, previniendo así que se libere más energía, o una sola pila sobrecargada impidiendo así la carga completa del paquete de baterías. Este problema reduce significativamente la carga disponible de una batería de pilas múltiple. El objetivo del equilibrador de pilas es compensar estas variaciones en las características eléctricas de las pilas tales como impedancia y capacidad mediante el aseguramiento de que cada serie conectada de pilas opera con el mismo voltaje de pila y dentro de una tolerancia aceptable. El equilibrador de pilas maximiza la carga disponible en series conectadas de paquetes de baterías de pilas múltiples y aumenta la esperanza de vida mediante la reducción e los ciclos de cargado. Pasivo: El equilibrador pasivo de pilas intercambia una resistencia a través de una pila de alto voltaje para retirar carga de la misma y traspasarla a la pila o las pilas inferiores. Otra posible aproximación sería usar un regulador de unión a través de cada pila esto suprimiría la necesidad de la resistencia, siendo soportado todo el voltaje de la pila por el transistor de unión de paso. Ambos métodos tienen dos problemas; en primer lugar ambos disipan energía, en segundo lugar su 2   único uso es durante el ciclo de carga, ya que durante el ciclo de descarga disminuirían la capacidad de la batería y acortarían su vida debido a la disipación adicional. Los circuitos integrados de gestión de baterías Ión de litio actuales que incorporan equilibradotes de pilas utilizan la aproximación pasiva, siendo ejemplos de los mismos las series X310 de Xicor y bq29311 de Texas Instruments. Es un objeto de la presente invención proporciona un sistema completo de gestión de baterías. Es además un objeto de la invención implementar el sistema de gestión de baterías en in único Circuito Integrado Específico de Aplicación o mediante el uso de varios circuitos integrados con o sin más sistema integrado de circuitos diferenciado. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un paquete de batería que contiene: una batería; y un sistema de gestión de baterías que comprende uno o más medios de monitorización de baterías y de programación lógica; dentro del cual la lógica programable se encuentra conectada al único o más medios de monitorización de baterías para modificar su operatividad de batería e informar del estatus de la batería; y el sistema de gestión de baterías está incrustado en el paquete de batería; caracterizado porque en el los medios de monitorización de la batería comprenden medios de control activo del equilibrio de la pila asociados con cada pila de la batería y operables para permitir la transferencia de energía de pilas fuertes a pilas débiles durante tanto el ciclo de carga como el de descarga, y en los cuales los medios de control activo del equilibrio de la batería son operables dentro de un cargador integral. Preferiblemente, los medios de monitorización de la batería informan del estado de la batería a través de un sistema de comunicación a un servidor externo. La implementación es aplicable a todos los sistemas eléctricos de almacenaje de energía que comprenden elementos de almacenaje químico eléctricos en serie o conectados paralelamente. Esto incluye pero no se limita a las pilas de carburante de capacidad súper o ultra, paquetes de baterías químicas de níquel-hidruro metálico (NiMH), de níquel cadmio (NiCd), de plomo (Pb) y de Litio. La implementación de lógica programable permite que la invención sea configurada para una variedad de baterías químicas. Preferiblemente, los medios de monitorización de baterías son proporcionados con medios de adquisición de datos para gravar los parámetros de rendimiento de la batería. Preferiblemente, la lógica programable se encuentra configurada para analizar los datos recibidos de uno o más medios de monitorización de baterías y para modificar la operatividad de la batería en respuesta a los mencionados datos. Preferiblemente, los medios de adquisición de datos se colocan a través de cada pila de la batería para recoger los datos de la mencionada pila. Opcionalmente, el dispositivo de adquisición de datos se encuentra configurado para recoger datos de una pluralidad de pilas. Preferiblemente, la lógica programable es encuentra configurada para analizar los datos físicos. Preferiblemente, la lógica programable se encuentra configurada par analizar los datos físicos relativos al efecto de la temperatura en la capacidad de la batería y/o e efecto de la temperatura en la corriente de descarga de la propia batería. Preferiblemente, la lógica programable se encuentra configurada para obtener el estado real de carga a cualquier temperatura de funcionamiento. Preferiblemente, la lógica programable contiene una o más tablas de consulta y/o algoritmos. Preferiblemente, la lógica de programable comprende un microprocesador digital y una memoria digital. Preferiblemente, la lógica de programable comprende un medio digital de comunicación con sistemas internos y externos y la habilidad de informar del estatus de la... [Seguir leyendo]

una batería; y un sistema de gestión de baterías, que comprende un o más medios de monitorización de la batería y lógica programable; en donde, la lógica programable se encuentra conectada a uno o mas medios de monitorización de baterías para modificar el funcionamiento de la batería e informar sobre el estatus de la batería; y el sistema de gestión de las baterías esta incrustado en el paquete de la batería, con la batería; caracterizado porque en el los medios de monitorización de la batería comprenden medios de control activo del equilibrio de las pilas asociados a cada pila de batería y operables para permitir la transferencia de energía de las pilas fuertes a las pilas débiles durante tanto los ciclos de carga como de descarga, y en donde los medios de control activo del equilibrio de las pilas son operables como in cargador integral. 2. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado porque en el mismo los medios de monitorización de la batería informan del estado de la batería a través de un bus o canal de comunicación a un servidor externo. 3. Un paquete de batería como se reivindica en las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque en el mismo a los medios de monitorización de la batería se les proporciona medios de adquisición de datos para documentar el rendimiento de la batería. 4. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra configurada para analizar los datos recibidos del único o más medios de monitorización de la batería y para modificar el funcionamiento de la batería en respuesta a los mencionados datos. 5. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 3, caracterizado porque en el mismo los medios de adquisición son colocados a través de cada pila de la batería para recopilar datos de la mencionada pila. 6. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 3 o en la reivindicación 5, caracterizado porque en el mismo los medios de adquisición son configurados para recopilar datos de una pluralidad de pilas. 7. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra configurada para analizar los datos físicos. 8. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra configurada para analizar los datos físicos relativos al efecto de la temperatura en la capacidad de la batería y/o el efecto de la temperatura en la corriente de descarga propia de la batería. 9. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra conjugada para obtener el estado actual de carga a cualquier temperatura de funcionamiento. 10. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable contiene una o más tablas de consulta y/o algoritmos. 11. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable comprende un microprocesador digital y una memoria digital. 12. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable comprende unos medios digitales de comunicación con sistemas internos y externos y la habilidad de informar sobre el estatus de la batería y proporcionar control externo de la batería. 13. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra incrustada en el sistema de gestión de baterías. 14. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo los medios de monitorización de la batería comprenden medios de medición de la carga. 15. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo los medios de monitorización de la batería comprenden medios de medición del estado de salud. 16. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo los medios de monitorización de la batería comprenden medios de protección de la batería.   17. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo los medios de protección de la batería comprenden medios de conmutación para controlar el flujo de corriente de una fuente de energía. 18. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo los medios de monitorización de la batería comprenden medios de control de carga. 19. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 1, caracterizado porque en el mismo el control de equilibrio activo de las pilas comprende un convertidor en modote intercambio, adjuntabe a una fuente de energía primaria y capaz de mover energía desde la fuente de energía primaria a una o mas pilas dependiendo de las necesidades respectivas de energía de las pilas. 20. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo la lógica programable se encuentra adaptada para operar medios de control de temperatura. 21. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 20, caracterizado porque en el mismo los medios de control de temperatura comprenden medios de calefacción para calentar las pilas. 22. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 19, caracterizado porque en el mismo los medios de control de equilibrio activo de las pilas operan como un sistema de supresión por sulfatación cuando se usan en una columna de baterías de plomo Pb (plomo y ácido). 23. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 19, caracterizado porque en el mismo la topología Flyback puede ser utilizada como un convertidor en modo conmutado. 24. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 23, caracterizado porque en el mismo al convertidor en modo conmutado Flyback se le proporciona una o mas salidas sincrónicas o rectificadores secundarios. 25. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 23 o en la reivindicación 24, caracterizado porque en el mismo al convertidor en modo conmutado Flyback se le proporciona una o mas salidas o diodos rectificadores secundarios. 26. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo un convertidor de intercambio magnético o capacitivo puede ser configurado para transferir activamente energía de las pilas fuertes a las pilas débiles dentro del paquete de la batería. 27. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo al sistema de gestión de baterías se le proporciona medios de medición de la propia corriente de descarga. 28. Un paquete de batería como se reivindica en la reivindicación 27, caracterizado porque en el mismo los medios de medición de la propia corriente de descarga comprenden un oscilador de corriente que puede ser unido a una batería cuando la batería se encuentra en modo de descanso, teniendo el oscilador de corriente un coeficiente de temperatura que se corresponde con el coeficiente de temperatura de la batería. 29. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo al sistema de gestión de baterías se le proporciona medios para desactivar la batería durante su transito, siendo proporcionados los mencionados medios como una instrucción de la lógica programable. 30. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo el sistema de gestión de baterías se incorpora en un circuito integrado de aplicación específica. 31. Un paquete de batería como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el mismo el sistema de gestión de baterías se incorpora en una placa base de circuitos impresos diferenciada. 11   12   Profunda recuperación de descarga pila VCarga pila pila pila 13 pila Puerta   Amplificador de compensación diferencial de la propia salida baja Registros de adquisición RSensor Resultado de la batería Registros de extracción CORRIENTE CORRIENTE ACT. Tiempo de funcionamiento para vaciado Tiempo medio de carga Corriente media Error máximo Registros de sistema Registros de límites En ratio ESTADO pila pila MODO ALARMAS pila pila Capacidad remanente Temperatura SEÑALES DE ERROR pila Modo Carga Carga Carga Reloj 14 Ciclo de computo A ratio TTE Tiempo de vida Capacidad completa pila Unidad aritmética y lógica de control ENERGIA Bus o canal de serie Controlador de rendimiento En reposo Frecuencia Reloj Reloj Tiempo apagado Retraso Continuación Recuperación de descarga profunda   VBateria pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel VCarga pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel pila pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel Puerta Resultado de Baterías pila   Comunicaciones Comunicaciones Voltaje Temperatura Corriente Acc. Corriente Puerto Comunicación Voltaje Temperatura Corriente Acc. Corriente TEMPERATURA TEMPERATURA 16 Pila R Sensor Pila+ve R Sensor Pila -ve Puerto Pila+ve Recuperación de descarga profunda   VBatería pila Adquisición de datos C Intercambiador de nivel VCarga pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel pila pila Adquisición de datos Intercambiador de nivel 17 pila Adquisición de datos Puerta Intercambiador de nivel Resultado de Baterías pila   Columna de pilas +ve Columna de pilas +ve Convertidor DC/DC Pila +ve Pila +ve Intercambiador de nivel Comunicación Adquisición de datos ADC + Registros Sentido de corriente 18 Pila   Vaina de pila 1 Vaina de pila 2 Vaina de pila 3 Vaina de pila 4 IPila_1 IPila_2 IPila_3 IPila_4 Intercambiador de nivel de comunicación 19 Batería+ve Pila 1 Pila 2 Pila 3 Pila 4 Modo de carga Comunicaciones Batería +ve   Vaina de pila 1 Vaina de pila 2 Vaina de pila 3 Vaina de pila 4 IDescarga IPila_1 IPila_1carga IPila_2 IPila_2carga IPila_3 IPila_3carga IPila_4 IPila_4carga Batería +ve Pila 1 Pila 2 Pila 3 Pila 4 Intercambiador de nivel de comunicaciones Modo de descarga Comunicaciones Batería +ve   Carga +ve Vaina de pila 1 Vaina de pila 2 Vaina de pila 3 Vaina de pila 4 IPila_1 IPila_2 IPila_3 IPila_4 Intercambiador de nivel de comunicaciones 21 Batería +ve Pila 1 Pila 2 Pila 3 Pila 4 Comunicaciones Batería +ve