Método y aparato de medida del estado de carga y del estado de salud de baterías.

Se propone un método y un aparato de medida para determinar el estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) de baterías recargables. Está demostrado en el estado de la técnica que la impedancia interna de las baterías depende de su estado de carga y de su estado de salud. El método consiste en medir el desfase que se produce en una señal senoidal cuando circula a través de la batería debido a la variación de la impedancia de la misma. El aparato de medida consiste en un lazo de enganche en fase (PLL): mediante su oscilador controlado por tensión interno (VCO) se genera una señal periódica, y mediante su comparador de fases interno se determina el desfase. El método es una simplificación de la técnica espectroscopía de impedancias, con aplicación en sistemas portátiles o móviles.

Método y aparato de medida del estado de carga y del estado de salud de baterías.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método y a un aparato para la determinación del estado de carga y salud de baterías recargables. La presente invención tiene aplicación en el campo de de los aparatos electrónicos móviles o portátiles y en el sector de la automoción.

Antecedentes de la invención

Dos parámetros de importancia en la caracterización y descripción de baterías son su estado de carga (SoC - state of charge en inglés) y su estado de salud (SoH - state of Health en inglés). El estado de carga (SoC) indica la energía disponible en una batería. El estado de salud (SoH) indica el desgaste o degradación de la batería, y por ende, su capacidad de almacenar energía.

La determinación precisa del SoC y del SoH de pilas y baterías es de especial importancia en los sistemas eléctricos o electrónicos que se alimentan de estas fuentes de energía. En especial, en sistemas móviles, desde teléfonos a automóviles eléctricos. La importancia de conocer el SoC y el SoH radica en poder predecir con precisión cuando será conveniente recargar la batería para evitar la interrupción indeseada del funcionamiento del sistema eléc- trico.

Se han propuesto numerosos métodos para la determinación del SoC [1] y del SoH. Algunos de ellos son básicamente académicos mientras otros son usados en los equipos electrónicos actuales. Se describen brevemente las técnicas más comunes:

Test de descarga, para determinar la capacidad total de la batería cuando es nueva. Es un test sencillo pero se tiene que desconectar la batería, modifica el estado de la batería y es de larga duración.

Medida de la carga inyectada en la batería. Es muy precisa siempre y cuando se lleven a cabo recalibraciones de las medidas. Una invención reciente basada en este método se describe en la patente USPTO 2009/0132186 [2].

Medida de la tensión de la batería en circuito abierto. Es económica, de fácil implementación, de medida in-situ, pero requiere que la batería esté inactiva durante un largo periodo de tiempo para que la medida sea precisa.

Determinación a partir de algoritmos externos o tablas de calibración. Se requiere un algoritmo o tabla para cada batería.

Medida de la impedancia es efectiva para determinar el estado de carga y de salud pero es muy cara. Una invención reciente se propone en JP2004311257A [3].

Para mejorar la determinación del SoC o del SoH se pueden combinar varias técnicas en un aparato tal como se propone en la invención EP1933159A2 [4], en la cual se mide la tensión, la impedancia y se determina el SoC y el SoH a partir de un algoritmo.

Conforme se desprende de las metodologías posibles para determinar el estado de carga y de salud, la medida de impedancia es una buena elección si se consigue aplicar a un coste económico y energético reducido. La invención propuesta persigue reunir estas dos premisas.

Desde un punto de vista electroquímico es conocida la dependencia de la impedancia de la batería con su carga interna y con su desgaste [5]. La impedancia de la batería es sensible a las variaciones del SoC y del SoH.

Conforme a esta conclusión previa, la monitorización de la impedancia de la batería es de especial interés para determinar el SoC y el SoH por su fiabilidad. La impedancia se puede determinar con precisión mediante la técnica de espectroscopia de impedancias, que es eficaz y está bien establecida a nivel de laboratorio. Su aplicación práctica a sistemas móviles no se ha desarrollado debido a que los equipos necesarios para su medida son de envergadura y de alto consumo.

La impedancia interna de la batería es, desde un punto de vista electroquímico, un parámetro complejo. Para simplificar su análisis, se han propuesto numerosos modelos eléctricos equivalentes para describir el comportamiento de celdas electroquímicas [6, 7] en diferentes casos. En general, un mayor grado de complejidad del modelo permite una mejor descripción de los fenómenos a costa de complicar también la caracterización física de la batería. Ha sido demostrada la relación entre modelos eléctricos simples de impedancias y el estado de carga [8] y el estado de salud [9] de las mismas baterías.

Uno de los componentes importantes comprendido en la invención es un lazo de enganche en fase (PLL - Phase-Locked Loop en inglés). Un PLL es un sistema de control que genera una señal alterna y compara su fase con una señal externa. Múltiples fabricantes comercializan PLLs tanto con salidas analógicas (por ejemplo el integrado LM565) como digitales (por ejemplo, integrados de la familia 4046).

El uso de sistemas PLL en sistemas de gestión de potencia de baterías se ha limitado al control del proceso de carga de la batería, ajustando la inyección de carga mediante un bombeo de corriente [10, 11].

Con la invención se busca llevar a cabo un método de medida de elevada precisión, que tenga tanto un consumo energético bajo para su funcionamiento como un coste económico bajo en relación al equipo en el cual estará integrado. Pues, actualmente no está desarrollado comercialmente ningún sistema compacto que se base en este principio por la complejidad de la medida.

Lista de referencias citadas en la invención

[1] V. Pop, H. J. Bergveld, P. H. L. Notten and P. P. L. Regtien, "State-of-the-art of battery state-of-charge determination", Measurement Science & Technology 16 (2005) pp. R93-R110.

[2] D. Esnard, J. Walley and S. Sanya, "Method And System For Reporting Battery Status Based On Current Estimation" Patent: USPTO 2009/0132186 A1, May 21 (2009).

[3] Mitsubishi Motor, "Internal-impedance estimation apparatus of battery, estimates internal impedance of battery in transient state and steady state, based on detected voltage, electric current and charge state of battery", Patent: JP2004311257-A (2004).

[4] N. C. Iwane, K. C. Chikazawa and K. C. Morii, "Method and device for determining state of battery, and battery power supply system therewith" Patent: EP 1 933 159 A2 Bulletin 2008/25 (2008).

[5] U. Troltzsch, O. Kanoun and H. Trankler, "Characterizing aging effects of lithium ion batteries by impedance spectroscopy", Electrochimica Acta, 51, (2006) pp. 1664-1672.

[6] S. Santhanagopalan, Q. Z. Guo, P. Ramadass and R. E. White, "Review of models for predicting the cycling performance of lithium ion batteries", J. Power Sources 156 (2006) pp. 620-628.

[7] R. Rao, S. Vrudhula and D. N. Rakhmatov, "Battery modeling for energy-aware system design", Computer, 36 (2003) pp. 77-81.

[8] A. Cuadras and O. Kanoun, "SoC li-ion battery monitoring with impedance spectroscopy", in 6th International Multi-Conference on Systems, Signals and Devices, 2009. SSD '09. pp. 1-5.

[9] A. Cuadras, U. Troltzsch and O. Kanoun, "Low energy budget battery monitoring", in XXII Eurosensors (2008) pp. 1490-1493.

[10] L. R. Chen, "PLL-based battery charge circuit topology", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 51 (2004) pp. 1344-1346.

[11] L. R. Chen, J. J. Chen, N. Y. Chu and G. Y. Han, "Current-pumped battery charger", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55 (2008) pp. 2482-2488.

Descripción de la invención

La invención consiste en un método y un aparato de medida para determinar el estado de carga y de salud de baterías.

A partir de la técnica de la espectroscopia de impedancias, cuyo esquema general se ilustra en la Figura 1, la invención propone una simplificación del método para tener un aparato de medida compacto. Si en la espectroscopia se hace un barrido en frecuencia, el método propone inyectar múltiples señales alternas de diferentes frecuencias (de forma discreta y en número bajo en comparación con un barrido) para determinar la impedancia compleja de la batería electroquímica.

El... [Seguir leyendo]

1. Aparato de medida del estado de carga y del estado de salud de baterías basado en dispositivos analógicos que comprende: