Estructura y método de fabricación de módulos de celdas de baja tensión para mejora de la vida útil de las mismas.

Estructura y método de fabricación de módulos de celdas de baja tensión para mejora de la vida útil de las mismas.

Módulo de almacenamiento de energía eléctrica (7) compuesto de varias celdas básicas (3), caracterizado por una conexión en paralelo de m celdas, formando n submódulos (5) conectados en serie. Esta topología se complementa mediante un método de distribución de celdas que minimiza hasta valores despreciables la dispersión entre las capacidades equivalentes de los submódulos (5), evitando los problemas de desequilibrio de tensión y mejorando la vida útil del módulo.

De aplicación en sistemas donde se requiera el uso de módulos de supercondensadores, como por ejemplo sistemas de recuperación de energía, o módulos de baterías, como por ejemplo en sistemas aislados alimentados por energía solar, o módulos de condensadores, como por ejemplo en condensadores de buses de continua de convertidores de media tensión.

ESTRUCTURA Y MÉTODO DE FABRICACiÓN DE MÓDULOS DE CELDAS DE BAJA TENSiÓN PARA MEJORA DE LA VIDA ÚTIL DE LAS MISMAS.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Sectores relativos a productos eléctricos y/o electrónicos en general. Sistemas electrónicos 10 y/o electrónicos de potencia. Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. Sistemas de condensadores para buses de continua de convertidores de media tensión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Las baterías electroquímicas y los supercondensadores (también llamados ultracapacidades) 15 son los elementos más utilizados a la hora de almacenar energía eléctrica, bien a largo plazo o intermitentemente con ciclados rápidos. En el caso del supercondensador la tensión nominal es inferior a 3V mientras que en el caso de la batería, la celda básica no ofrece más que 4V. Las aplicaciones de almacenamiento de energía requieren dispositivos con tensiones nominales por encima de varias decenas de voltios hasta, en algunos casos, varios miles de voltios. Por ello los módulos de almacenamiento de energía basados en baterías y/o supercondensadores se construyen, según se muestra en la Figura 1, mediante la conexión en serie de múltiples celdas individuales (1) .

En el ámbito de la electricidad y electrónica de potencia también se requiere la conexión en serie de un conjunto de condensadores convencionales, como por ejemplo en buses de continua en media tensión. Los supercondensadores, baterías electroquímicas y condensadores convencionales comparten ciertas características en común:

• Debido a las tolerancias de fabricación , estos dispositivos sufren de dispersión en los parámetros de capacidad

o En Faradios para los condensadores y ultracapacidades o supercondensadores o En Ah para las baterías • Debido a las tolerancias de fabricación , también hay dispersión en la resistencia equivalente, llamada ESR (Equivalent Series Resistor)

• Todas ellas envejecen más rápidamente cuanto mayor es la tensión o el estado de carga

• Todas ellas envejecen más rápidamente cuanto mayor es la temperatura

• En todos los casos, el envejecimiento se manifiesta como una reducción de la capacidad (Faradios para los condensadores y ultracondensadores o supercondensadores y Amperios-hora para las baterías) y un aumento de la

resistencia equivalente serie (ESR)

En el resto del documento se utilizará la palabra "capacidad" para denotar, indistintamente:

• la capacidad en faradios de los condensadores o supercondensadores

• la capacidad en Amperios-hora de las baterías.

Asimismo, se denominará celda a cada elemento individual, bien se trate de un condensador,

un supercondensador o una batería. En lo que sigue, la palabra "módulo~ se refiere al agrupamiento y combinación de celdas de un tipo de tecnología, bien sean supercondensadores, baterías o condensadores. Cuando las celdas (1) se conectan en serie formando el módulo (2) , todas ellas reciben la misma carga eléctrica. Como la tensión de una celda depende de la carga recibida y de su capacidad, y al ser las capacidades diferentes por las tolerancias de fabricación, las tensiones de las celdas seríalizadas difieren unas de las otras. La diferencia en la tensión individual de cada celda da lugar a varios fenómenos no deseados:

• La peor celda (considerando como talla de menos capacidad) soportará un nivel de tensión mayor que el resto de celdas, por lo que, para evitar superar la tensión máxima admisible, habrá que dejar de cargar el módulo (2) antes de alcanzar la carga máxima teórica.

• La peor celda (considerando como tal la de menos capacidad) estará siempre con niveles de tensión superiores a las de las celdas adyacentes por lo que su envejecimiento,

que depende del nivel de tensión, será acelerado. El envejecimiento se manifiesta con un incremento de la resistencia equivalente serie (también llamada ESR) y un decremento adicional de la capacidad , por lo que se dan varios fenómenos acumulativos:

o Al bajar la capacidad de la celda, la tensión de la celda implicada aumenta más, por lo que el proceso de envejecimiento de la celda implicada se acelera, incrementándose la ESR y reduciéndose la capacidad.

o Con un valor de ESR mayor la temperatura de la celda implicada aumenta más que el

de las celdas adyacentes, por lo que el envejecimiento de la celda implicada es 35 adicionalmente acelerado.

o Debido a los fenómenos de envejecimiento descritos, tanto la capacidad como la ESR degeneran rápidamente por lo que se repite lo descrito en los puntos a) y b) , de forma que el envejecimiento se vuelve a acelerar: al final se llega a un bucle destructivo que degrada rápidamente una de las celdas puestas en serie y como consecuencia inutiliza el módulo completo (2) .

En la patente WO 2012/006115 se puede encontrar un buen resumen junto con bibliografía previa relativa a la problemática asociada a los desequilibrios de tensión en celdas conectadas en serie y los esfuerzos realizados para poder equilibrar estas tensiones.

Hay dos familias de estrategias de equilibrado de tensión, las pasivas y las activas. Las redes de equilibrado pasivas se pueden construir, entre otras realizaciones, utilizando diodos de anclaje que absorben corriente cuando la tensión de la celda correspondiente está por encima del valor límite. El problema de esta estrategia es que si el módulo no está habitualmente operando a su nivel de tensión máxima, los desequilibrios no se evitan. Este fenómeno se puede solucionar con resistencias de equilibrado, lo que implica un consumo de energía proporcional a la velocidad de equilibrado. Por otra parte, las estrategias de equilibrado activas están basadas, entre otras realizaciones, en convertidores DCIDC que intercambian, de forma eficiente, la energía excedente de las celdas con más tensión a las celdas menos cargadas. Se trata de una estrategia cara, que además eleva la complejidad de la electrónica de potencia instalada y reduce la fiabilidad.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

Tal cual se ha descrito, valores bajos de capacidad derivados de las tolerancias de producción llevan a una dispersión equivalente de las tensiones en cada celda, provocando una acumulación de efectos no deseados, que resultan en un envejecimiento acelerado de la celda implicada y, consecuentemente, en un falio prematuro del módulo completo (2) . Todos los esfuerzos previos encaminados a solucionar el problema del desequilibrio de tensión en módulos o agrupamientos de celdas han partido de los siguientes supuestos :

• Siempre se trabaja sobre la conexión en serie de celdas individuales (1) , de forma que el problema o desequilibrio de partida es importante

• Mediante circuitería externa adicional, bien sea activa o pasiva, se trata de corregir este desequilibrio

En ningún caso se plantea la posibilidad de modificar la topología o estructura del módulo, de forma que el problema del desequilibrio se reduzca implícitamente, sin necesidad de circuitería adicional . La invención que se describe en este documento propone minimizar a valores despreciables el desequilibrio de tensión inicial de forma que no haya que recurrir a sistemas de equilibrado complejos y costosos, y si así fuera, estos serán de una potencia muy inferior y sólo actuarían al final de la vida útil del módulo La Fig. 1 muestra la estrategia clásica de agrupamiento de celdas, en las que el elemento (1) es una celda individual asimilable a un condensador, un supercondensador o una batería. Como se ve en este ejemplo, la estructura tradicional conecta en serie un número n de celdas de baja tensión , formando un módulo, descrito como elemento (2) en la Figura 1. Ya se han mencionado los problemas de esta topología. El diseñador debe obtener una capacidad total Cl, distribuida en n elementos dispuestos en serie, cada uno de ellos con una capacidad nominal determinada, C¡. Parte de la propuesta de esta invención se caracteriza por distribuir la capacidad C¡ correspondiente a una celda (1) en varias celdas (por ejemplo m, siendo m un número entero mayor o igual a 2) conectadas en paralelo, (3) a (4) , mostradas en la Figura 2. En la Figura 2 las celdas (3) a (4) componen un submódulo (5) cuya carga equivalente Ceq en valor nominal (sin considerar tolerancias) es semejante o ligeramente inferior o ligeramente superior al de la celda (1 ) . Se dispone de varios submódulos (por ejemplo n, siendo n un número entero mayor o igual a 2) , (5) a (6) , conectados en serie, de forma que el módulo (7) presenta unas especificaciones de energía, corriente, tensión y potencia semejantes al del módulo (2)...

1. Estructura de módulos de celdas de baja tensión para la mejora de la vida útil de las mismas caracterizada por que el módulo comprende • Celdas básicas capaces de almacenar energía eléctrica

• La conexión de varias celdas en paralelo para formar submódulos

• La conexión en serie de los submódulos para formar el módulo

2. Estructura de módulos de celdas de baja tensión según reivindicación 1 en el que la 10 celda básica contiene un condensador

3. Estructura de módulos de celdas de baja tensión según reivindicación 1 en el que la celda básica contiene un supercondensador o ultracapacidad

4. Estructura de módulos de celdas de baja tensión según reivindicación 1 en el que la celda básica contiene una celda de almacenamiento electroquímico o batería 5. Estructura de módulos de celdas de baja tensión según reivindicación 1 en el que la celda básica contiene un elemento capaz de almacenar energía eléctrica 6. Método de fabricación de módulos de celdas de baja tensión para la mejora de vida útil de las mismas caracterizado por

• La medida inicial de la capacidad individual de cada celda

• El agrupamiento de celdas en submódulos, después de un cálculo y acorde con la

estructura de módulos de las reivindicaciones 1 a 5, de forma que la dispersión o diferencia entre las capacidades equivalentes de los submódulos sea minimizada 7. Método de fabricación de módulos de celdas de baja tensión según reivindicación 6 en el cual la distribución de celdas en submódulos se realiza mediante un algoritmo 8. Método de fabricación de módulos de celdas de baja tensión según reivindicaciones 6 y 7 en el cual el algoritmo de distribución es un algoritmo recursivo que evalúa las posibles permutaciones entre celdas de diferentes submódulos y retiene aquellas que disminuyen la dispersión de la capacidad equivalente