Batería de acumuladores con pérdidas reducidas.

Una batería de acumuladores (4), caracterizada por que comprende al menos unas primera y segunda ramas (Br1,

Br2), que presentan, cada una de ellas, al menos unos primer (E1,1, E1,2) y segundo (E2,1, E2,2) acumuladores conectados en serie, de tal manera que la batería comprende, además, un disyuntor (D2,1) por la intermediación del cual los primeros acumuladores están conectados en paralelo, y por cuya intermediación los segundos acumuladores están conectados en paralelo, de tal manera que el umbral de corte del disyuntor está dimensionado para conducir corriente cuando uno de dichos acumuladores forma un circuito abierto.

Batería de acumuladores con pérdidas reducidas La invención se refiere a las baterías de acumuladores electroquímicos. Estas pueden ser utilizadas, por ejemplo, en el dominio de los transportes eléctricos e híbridos o en los sistemas embarcados.

Un acumulador electroquímico tiene, habitualmente, una tensión nominal del orden de magnitud siguiente:

1, 2 V para baterías del tipo de NiMH,

3, 3 V para una tecnología de iones de litio y fosfato de hierro, LiFePO4.

4, 2 V para una tecnología del tipo de iones de litio con material de base de óxido de cobalto.

Estas tensiones nominales son demasiado débiles en relación con las exigencias de la mayor parte de los sistemas que se han de alimentar. A fin de obtener el nivel de tensión adecuado, se colocan en serie varios acumuladores. Para obtener grandes potencias y capacidades, se colocan varios acumuladores en paralelo. El número de etapas (número de acumuladores en serie) y el número de acumuladores en paralelo en cada etapa varían en función de la tensión, de la corriente y de la capacidad deseadas para la batería. La asociación de varios acumuladores recibe el nombre de batería de acumuladores.

A la hora de concebir una batería de acumuladores, se busca suministrar un cierto nivel de potencia bajo una tensión de funcionamiento definida. Para maximizar la potencia, se maximiza la corriente aportada reduciendo en la medida de lo posible la resistencia interna parásita de la batería.

Las baterías del tipo de iones de litio resultan muy adecuadas para las aplicaciones de transporte por su capacidad de almacenar una energía importante en una masa pequeña. Entre las tecnologías de baterías de iones de litio, las baterías con material de base de fosfato de hierro ofrecen un alto nivel de seguridad intrínseca con respecto a las baterías de iones de litio con material de base de óxido de cobalto, en detrimento de una energía por masa, o másica, un poco inferior. Por otra parte, las baterías de iones de litio presentan también una tensión mínima por debajo de la cual un acumulador puede sufrir un deterioro.

La Figura 1 representa una batería 1 de acumuladores de iones de litio conocida en el estado de la técnica. La batería 1 está compuesta de cuatro etapas Et1, Et2, Et3 y Et4, conectadas en serie. Cada etapa comprende cuatro acumuladores similares, conectados en paralelo. Los bornes de los acumuladores de una misma etapa son conectados entre sí por la intermediación de conexiones eléctricas de gran sección. Cada etapa es igualmente conectada a las etapas adyacentes por la intermediación de conexiones eléctricas de gran sección con el fin de dejar pasar corrientes elevadas correspondientes a la suma de las corrientes de los acumuladores de una etapa. Una o varias cargas están destinadas a ser conectadas a los bornes N y P de la batería 1.

La tensión en los bornes de las cuatro etapas se ha denotado, respectivamente, como U1, U2, U3 y U4. En este esquema, la tensión total U entre los bornes N y P de la batería 1 es la suma de las tensiones U1, U2, U3 y U4. La corriente que atraviesa cada acumulador de la cuarta etapa Et4 se denota, respectivamente, como I1, I2, I3 e I4. La corriente I generada en el borne P de la batería 1 es la suma de las corrientes I1, I2, I3 e I4.

Con el fin de proteger la batería 1 de las consecuencias de un cortocircuito en un acumulador, cada acumulador presenta un fusible que se le conecta en serie. Cuando un acumulador forma un cortocircuito, la corriente que lo atraviesa aumenta sensiblemente y hace que se funda su fusible en serie con el fin de proteger el resto de la batería 1. En ausencia de fusible, la disipación de energía en el acumulador en cortocircuito induciría su calentamiento así como el de los otros acumuladores que se descargan. Semejante disipación podría ser la causa de que se declarase un incendio. Las tecnologías de iones de litio con material de base de óxido de cobalto y con material de base de fosfato de hierro están particularmente sujetas a riesgos, puesto que una etapa comprende un gran número de acumuladores en paralelo para almacenar una energía importante. La utilización de fusibles se revela, por tanto, particularmente apropiada para estas tecnologías.

Los diferentes acumuladores de una batería de iones de litio no mitigan de forma natural la tensión en sus bornes. Es necesario añadir, para cada etapa, un circuito anexo 2 de equilibrado y de control de carga para que las etapas Et1 a Et4 puedan ser cargadas correctamente. La puesta en serie de cuatro etapas de cuatro acumuladores precisa asociar a cada etapa una función de equilibrado y de control de carga. El circuito 2 gobierna, por tanto, la carga y el equilibrado de cada etapa de la batería 1.

La carga de un acumulador se traduce en un crecimiento de la tensión en sus bornes. Se considera que un acumulador está cargado cuando este ha alcanzado un nivel de tensión nominal definido por su proceso electroquímico. Si la carga se interrumpe antes de que se haya alcanzado esta tensión, el acumulador no está completamente cargado.

A lo largo de toda la duración de vida de la batería, pueden aparecer ciertos defectos en ciertos acumuladores que componen la batería. Un defecto en un acumulador se traduce, generalmente, ya sea en la puesta en cortocircuito

del acumulador, ya sea en una puesta en circuito abierto, o en una corriente de fuga importante en el acumulador. Es importante conocer el impacto del fallo de un acumulador en la batería. Una puesta en circuito abierto o en cortocircuito puede provocar un fallo global de toda la batería.

En el caso de la aparición de una corriente de fuga importante en un acumulador de una etapa, la batería se comporta como una resistencia que provoca una descarga de los acumuladores de la etapa considerada, hasta cero. Los riesgos de que se declare un incendio son escasos puesto que la energía se disipa de forma relativamente lenta. En la tecnología de iones de litio, la descarga de los acumuladores de la etapa hasta una tensión nula los deteriora, lo que implica su reemplazo, además del del acumulador que falla inicialmente. Cuando un acumulador forma un cortocircuito, los otros tres acumuladores de la etapa van a descargarse inicialmente en este acumulador como consecuencia de la gran sección de las conexiones eléctricas entre ellos. El fusible que está emplazado en serie con el acumulador en cortocircuito interrumpirá la descarga parásita de los otros tres acumuladores.

Una tal batería presenta diversos inconvenientes. Los fusibles se han dimensionado para ser atravesados por corrientes importantes y llevan consigo, por lo tanto, un sobrecoste importante. Además, la resistencia interna de los fusibles aumenta las pérdidas por efecto Joule en el interior de la batería, lo que reduce notablemente sus rendimientos en potencia.

El documento US 6.051.955 describe una batería de acumuladores que comprende dos ramas conectadas en paralelo. Cada rama comprende 3 acumuladores, conectados en serie. Estos acumuladores son cargados y descargados por la intermediación de dos bornes de salida. Unos transistores de protección están interpuestos entre uno de los bornes de salida y cada rama de acumuladores. Un circuito de vigilancia detecta una carga o una descarga excesiva de los elementos. Si es este el caso, el circuito de vigilancia abre los transistores de protección entre el borne de salida y las ramas de acumuladores.

Cada acumulador de una rama está conectado en paralelo al acumulador de la otra rama. Dos fusibles conectados en serie conectan, de esta forma, dos acumuladores respectivos. El circuito de vigilancia está conectado a cada nodo entre dos fusibles en serie.

Esta batería de acumuladores comprende, además, fusibles conectados en serie entre una rama y un transistor de protección.

Semejante batería presenta diversos inconvenientes:

-se inducen importantes pérdidas por efecto Joule por los fusibles en serie y los transistores de protección durante el funcionamiento de la batería;

-cualquier fallo de un acumulador induce la interrupción inmediata del funcionamiento de la batería por parte del circuito de vigilancia;

-la capacidad de la batería no es la óptima: en carga, el acumulador más cargado interrumpe la carga de la batería

cuando los demás acumuladores no han alcanzado aún su carga óptima. En descarga, el acumulador menos cargado interrumpe la descarga cuando los demás acumuladores no han alcanzado su umbral de descarga.

El documento WO 2009/021762 describe una batería de acumuladores que comprende dos ramas en paralelo. En un modo de realización, cada rama presenta cuatro acumuladores conectados... [Seguir leyendo]

1. Una batería de acumuladores (4) , caracterizada por que comprende al menos unas primera y segunda ramas (Br1, Br2) , que presentan, cada una de ellas, al menos unos primer (E1, 1, E1, 2) y segundo (E2, 1, E2, 2) acumuladores conectados en serie, de tal manera que la batería comprende, además, un disyuntor (D2, 1) por la intermediación del cual los primeros acumuladores están conectados en paralelo, y por cuya intermediación los segundos acumuladores están conectados en paralelo, de tal manera que el umbral de corte del disyuntor está dimensionado para conducir corriente cuando uno de dichos acumuladores forma un circuito abierto.

2. Una batería de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una tercera rama (Br3) que presenta unos primer (E1, 3) y segundo (E2, 3) acumuladores conectados en serie, de tal modo que la batería (4) comprende, además, otro disyuntor (D2, 2) por la intermediación del cual los primeros acumuladores están conectados en paralelo, y por cuya intermediación los segundos acumuladores están conectados en paralelo.

3. Una batería de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que dichos primeros acumuladores forman una primera etapa de la batería, y en la cual dichos segundos acumuladores forman una segunda etapa de la batería, comprendiendo la batería, además, un circuito (5) de equilibrado de la carga de los acumuladores, conectado a los bornes de cada etapa.

4. Una batería de acuerdo con la reivindicación 3, en la cual cada junción entre los acumuladores en paralelo esta unida al circuito de equilibrado (5) .

5. Una batería de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3, en la que los acumuladores de las primera y tercera ramas (Br1, Br3) son no adyacentes, y en la cual el circuito de equilibrado (5) está conectado a los bornes de los acumuladores de las primera y tercera ramas.

6. Una batería de acuerdo con la reivindicación 3, en la cual el circuito de equilibrado (5) está conectado a cada una de las ramas por un nodo de cada rama que conecta en serie dos acumuladores de la rama.

7. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual la sección de la junción entre los acumuladores en paralelo es inferior a la sección de la junción entre los acumuladores en serie.

8. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual el disyuntor comprende una conexión eléctrica fusible.

9. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual el umbral de corte del disyuntor se ha dimensionado para abrirse cuando uno de dichos acumuladores está en cortocircuito.

10. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dicho acumuladores son de un tipo para el que la aplicación de una tensión a sus bornes superior en el 15% a su tensión nominal no induce su destrucción.

11. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual los acumuladores son del tipo de iones de litio.

12. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual dichas ramas están desprovistas de disyuntores de protección dispuestos en serie con dichos acumuladores.

13. Una batería de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual la resistencia interna de dichos acumuladores es inferior a la resistencia interna de dicho disyuntor.