Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica.

Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica (1) que comprende una pluralidad de elementos (2) generadores de energía eléctrica,

dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería (1) sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la temperatura media T de dicha batería, dicho procedimiento prevé activar un dispositivo de acondicionamiento térmico de dicha batería cuando la diferencia ΔT2 es superior a una consigna C2, dicha consigna se establece en función del estado de carga SOC de dicha batería.

Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica.

La invención se refiere a un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica que está destinada en particular a la tracción de un vehículo automotriz eléctrico o híbrido, es decir, que comprende un motor eléctrico de accionamiento de las ruedas motrices combinado con un motor térmico de accionamiento de estas ruedas o eventualmente de otras 5 ruedas motrices.

En particular, la invención se aplica a un alto grado de hibridación de los vehículos térmicos que puede llegar hasta una electrificación completa de la cadena de tracción. En este caso, las baterías no se usan únicamente para asistir a los vehículos en fases de aceleración sino igualmente para asegurar el desplazamiento del vehículo de manera autónoma a distancias más o menos importantes. 10

La batería eléctrica puede igualmente encontrar su aplicación en otros campos técnicos, por ejemplo, para el almacenamiento de energía eléctrica en otros modos de transporte, en particular en aeronáutica. Por otra parte, en aplicaciones estacionarias tales como para las máquinas eólicas, la gestión térmica de una batería según la invención puede igualmente ser utilizada de forma ventajosa.

Para garantizar los niveles de potencia y/o de energía requeridos para las aplicaciones consideradas, es necesario crear 15 baterías que comprendan una pluralidad de elementos generadores de energía eléctrica que puedan ser montados en serie.

Los elementos generadores comprenden clásicamente al menos una celda electroquímica, por ejemplo de tipo Litio – ión o Litio – polímero, que está formada por un apilamiento de capas electro activas que actúan sucesivamente como cátodos y ánodos, dichas capas se ponen en contacto por medio de un electrólito. 20

Sin embargo, cuando estos elementos se cargan y descargan, resulta de esto una producción de calor que, cuando no se controla, puede tener como efecto disminuir la duración de vida de los elementos, e incluso dar lugar en condiciones extremas a riesgos de aceleración térmica para algunas composiciones químicas de celdas, conduciendo al deterioro de la batería.

Así, para optimizar la seguridad, el rendimiento y la duración de vida de las baterías, los sistemas de acondicionamiento 25 térmico de los elementos se integran en las baterías, para mantener la temperatura de dicha batería a un nivel de temperatura óptima.

Además, en la aplicación automotriz prevista, la eficacia de estos sistemas debe ser importante ya que los picos de disipación térmica son función de las densidades de corriente y de sus variaciones que pueden alcanzar valores muy elevados, en particular durante fases de fuertes aceleraciones, de frenados regenerativos, de recargas rápidas de la 30 batería o de funcionamiento en autopistas en modo eléctrico. Por otra parte, las baterías de alta energía, que utilizan elementos de gran espesor cuya relación entre las superficies de intercambio y el volumen que produce el calor es reducida, deben por esto ser enfriadas de forma particularmente eficaz.

En particular, los sistemas de acondicionamiento térmico pueden comprender una cámara formada esencialmente alrededor de los elementos generadores, en la cual circula un fluido de intercambio térmico con dichos elementos. 35 Además, para asegurar el acondicionamiento térmico, los sistemas conocidos comprenden un dispositivo de calentamiento y/o un dispositivo de enfriamiento del fluido en circulación. Así, acondicionando térmicamente el fluido y haciendo circular un flujo continuo de dicho fluido alrededor de los elementos, puede realizarse el acondicionamiento térmico de la batería.

Sin embargo, esta estrategia de gestión térmica conduce a la aparición de un gradiente térmico en el seno de los 40 elementos, cuya amplitud es importante en las baterías de alta energía ya que ella depende además:

 de la diferencia de temperaturas entre el fluido y los elementos ;

 del espesor de los elementos ;

 de las propiedades de conducción térmica entre el corazón de los elementos y el fluido ;

 de la potencia térmica que se desprende de los elementos en uso. 45

Ahora bien, cuando se vuelve demasiado importante, este gradiente de temperatura provoca un desequilibrio térmico de los elementos que induce un riesgo para la seguridad y la duración de vida de la batería. En efecto, las capacidades y resistencias internas locales en el seno de los elementos dependen de la temperatura local de estos. La electroquímica de los elementos puede, por tanto, ser exigida de manera diferente, una sobre-exigencia local podría conducir a una aceleración de los fenómenos de envejecimiento. 50

Además, el acondicionamiento térmico de la batería consume una parte importante de la energía eléctrica almacenada en el vehículo. Este aumento de consumo energético induce una pérdida de autonomía de los vehículos eléctricos. Para conservar la autonomía a la que aspira la aplicación, puede ser necesario compensar este aumento de consumo con un sobredimensionamiento de la batería, lo cual no es rentable desde un punto de vista puramente económico.

Por otra parte, los elementos de batería Li-ión de alta densidad energética presentan resistencias internas que son muy 5 sensibles a la temperatura. Esta particularidad hace que si se desea preservar la autonomía y el rendimiento de las baterías para vehículos eléctricos en tiempo frío, se hace necesario calentarlas por medio del sistema de acondicionamiento térmico. Este calentamiento puede igualmente ser una fuente de consumo de energía en las fases de rodaje.

Finalmente, el aumento del tamaño de los elementos para obtener una batería de alta densidad energética puede ser 10 visto como una puesta en paralelo de varios apilamientos eléctricamente activos elementales. En caso de fuertes demandas de corriente, tomando la corriente preferentemente el camino de menos resistencia, el equilibrado de las resistencias ente cada rama elemental puesta en paralelo se vuelve primordial.

Estas diferencias de resistencias internas pueden inducir a una sobreconcentración local en corriente que provoca una caída del potencial en el seno de un elemento. Esta caída no puede ser detectada por una medida de la tensión global 15 del elemento, y esto resulta en el riesgo de atravesar localmente un umbral de tensión « peligroso » para la electroquímica de dicho elemento.

El documento JP 09019074 A describe un procedimiento de gestión térmica que permite mantener una batería en un espacio de funcionamiento a una temperatura determinada. Los documentos EP 1876051 y US 2008/0311466 A1 describen igualmente un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica. 20

La invención pretende resolver los problemas de la técnica anterior proponiendo en particular un procedimiento de gestión térmica de una batería que permite limitar el consumo eléctrico necesario para su acondicionamiento térmico de manera que se aumente su autonomía, y así preservar su duración de vida y su seguridad de funcionamiento.

A este efecto, la invención propone un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica que comprende una pluralidad de elementos generadores de energía eléctrica, dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería 25 sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la temperatura media T de dicha batería, dicho procedimiento prevé activar un dispositivo de acondicionamiento térmico de dicha batería cuando la diferencia ΔT2 es superior a una consigna C2, dicha consigna se establece en función del estado de carga SOC de dicha batería. 30

Otras particularidades y ventajas de la invención aparecerán en la descripción que sigue, hecha en referencia a la figura adjunta que representa una arquitectura para la aplicación de un procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica según un modo de realización de la invención.

El procedimiento permite la gestión térmica de una batería eléctrica 1, dicha gestión se entiende tanto en aporte como en retirada de calorías de manera que se mantenga la batería 1 en un nivel de funcionamiento a temperatura óptima. En 35 particular, el procedimiento permite asegurar rápida y eficazmente un aporte o una retirada de calorías en la batería 1, de manera que se asegure la regulación térmica cualquiera que sean las condiciones de utilización.

La batería 1 comprende... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de gestión térmica de una batería eléctrica (1) que comprende una pluralidad de elementos (2) generadores de energía eléctrica, dicho procedimiento prevé, durante la recarga de la batería (1) sobre una fuente eléctrica externa, acondicionar previamente dicha batería a una temperatura media T0 y, durante la utilización de dicha batería, determinar el valor absoluto ΔT2 de la diferencia entre la temperatura T0 y la 5 temperatura media T de dicha batería, dicho procedimiento prevé activar un dispositivo de acondicionamiento térmico de dicha batería cuando la diferencia ΔT2 es superior a una consigna C2, dicha consigna se establece en función del estado de carga SOC de dicha batería.

2. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 1, caracterizado porque la ley de establecimiento de la consigna C2 es decreciente en función del estado de carga SOC. 10

3. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 2, caracterizado porque la ley de establecimiento se escribe en la forma de:

C2 = C0 - a (SOC) - b (SOC) 2, SOC varía entre 0 y 1 en función del estado de carga de la batería (1) , a y b son parámetros establecidos en función de las características de la batería (1) , C0 es una consigna máxima.

4. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 3, caracterizado porque la consigna máxima C0 es 15 igual o del orden de a + b.

5. Procedimiento de gestión térmica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque prevé, en el caso donde la diferencia ΔT2 es superior a la consignaC2, la activación de un dispositivo de calentamiento (8) – respectivamente de enfriamiento (9) - cuando la temperatura T es inferior – respectivamente superior – a la temperatura T0. 20

6. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 5, caracterizado porque la consigna C2 presenta un primer valor C2c más allá del cual se activa el dispositivo de calentamiento (8) y un segundo valor C2f más allá del cual se activa el dispositivo de enfriamiento (9) .

7. Procedimiento de gestión térmica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la temperatura T0 de acondicionamiento previo se establece entre 15 y 30°C. 25

8. Procedimiento de gestión térmica según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque prevé utilizar un sistema de acondicionamiento térmico que comprende una cámara que contiene un fluido de intercambio térmico con dichos elementos, dicho sistema comprende además un dispositivo de puesta en circulación de dicho fluido en dicha cámara y al menos un dispositivo de acondicionamiento térmico de dicho fluido. 30

9. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 8, caracterizado porque la temperatura del fluido se mide para determinar la temperatura media T de la batería (1) .

10. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque prevé además, durante la utilización de la batería (1) , determinar la diferencia ΔT1 entre las temperaturas del elemento (2) más caliente y del elemento (2) más frío y: 35

- cuando la diferencia ΔT1 es inferior a una consigna C1, desactivar el dispositivo de puesta en circulación (4) así como el o los dispositivo (s) de acondicionamiento térmico (8, 9) ;

- cuando la diferencia ΔT1 es superior a la consigna C1, activar el dispositivo de puesta en circulación (4) del fluido manteniendo desactivado (s) el o los dispositivo (s) de acondicionamiento térmico (8, 9) si la diferencia ΔT2 es inferior a la consigna C2. 40

11. Procedimiento de gestión térmica según la reivindicación 10, caracterizado porque la consigna C1 se establece entre 2 y 5°C.

FIGURA ÚNICA