ES2711099T3 - Sistema de gestión de baterías de litio-sulfuro - Google Patents

Abstract

Un sistema de gestión de batería de litio y azufre para determinar un estado de carga de una batería (LS1, LS2) de litio y azufre, caracterizado porque el sistema de gestión comprende un primer circuito que tiene al menos un elemento reactivo, el primer circuito configurado para descargar y cargar cantidades fijas de carga desde y hacia la batería (LS1, LS2) a través del al menos un elemento reactivo, y un segundo circuito para controlar la descarga y carga, en el que el segundo circuito está configurado para medir un tiempo de descarga y un tiempo de carga de las cantidades fijas de carga, y determinar el estado de la carga con base en esos tiempos.

Description

DESCRIPCION

Sistema de gestion de batenas de litio-sulfuro

Campo tecnico

La presente invencion se relaciona en general con un sistema de gestion de batenas de litio-azufre para determinar el estado de carga de una batena de litio-azufre.

Antecedentes de la invencion

La capacidad de determinar de manera confiable la cantidad de carga restante de una batena para uso como fuente de energfa en, por ejemplo, los bienes electronicos portatiles y el transporte de vehroulos electricos es altamente valorada por los fabricantes y consumidores por igual con el fin de calcular el tiempo de uso restante o distancia disponible para vehroulos.

En el caso de los vehroulos a gasolina, se puede medir simplemente el nivel de combustible, sin embargo, en vehroulos electricos e tnbridos y en dispositivos electronicos, ya que la batena se utiliza como su fuente de energfa, es mas difroil medir la energfa residual acumulada en la batena. El estado de carga (SOC) de una batena puede expresarse, por ejemplo, como un indicador de porcentaje de la cantidad de capacidad restante en una batena hasta que se necesite una recarga, en comparacion con la capacidad total proporcionada por esa batena.

Suponiendo que SOCo es el porcentaje de SOC inicial en el tiempo to, el porcentaje de SOC de la batena en el tiempo t se define como:

SOC = SOC0 100 * r'K -TOT-dt

Jto Qt

donde I es la corriente, que se define como negativa para la descarga y positiva para la carga, y Qt es la capacidad maxima de la batena en Ah.

Se puede configurar el SOCo inicial donde se considera que la batena esta completamente cargada con referencia al voltaje maximo de circuito abierto (OCV) antes de descargar la batena, opcionalmente con referencia a las mediciones de resistencia y temperatura para mejorar la precision.

Los metodos comunes para medir el SOC de batenas de diferentes qmmicas se basan en mediciones de voltaje, donde tfpicamente el voltaje de una batena caera en relacion con su capacidad restante. Sin embargo, el voltaje de una batena de litio-azufre no disminuye linealmente cuando se descarga la batena, y tfpicamente se mantiene constante para grandes proporciones de la caractenstica de descarga, lo que significa que el uso de voltaje no es adecuado para determinar el SOC de batenas de litio-azufre.

Otro metodo conocido para determinar el SOC de la batena es realizar un conteo de coulomb desde el momento en que la batena comienza a descargarse, de modo que se cuenta que la salida de carga de la batena y se puede calcular la carga restante dentro de la batena. Con cualquier batena, el conteo de coulomb solo es practico si se conoce un valor de capacidad inicial antes del inicio de cualquier descarga, y si no se utiliza ningun otro metodo de estimacion de capacidad, entonces el conteo de coulomb solo se puede implementar practicamente cuando la batena comienza desde el 100% de SOC. En la practica, una batena puede no iniciar su descarga desde un estado de carga completa, ya sea porque ha sido sujeta a una descarga parcial, no se ha cargado completamente o esta sujeta a una autodescarga y, por lo tanto, requiere un metodo adicional para determinar el inicio de la capacidad de descarga.

Una caractenstica de las batenas de litio-azufre que se ha investigado como medio de determinacion de SOC es una relacion medible entre la resistencia interna de una batena y su SOC, como se identifico en solicitudes de patente anteriores, como la solicitud US 2009/0055110 (Sion Power). Tfpicamente, se realiza la determinacion de la resistencia de la batena mediante la aplicacion de una corriente conocida ya sea en la carga o la descarga, el control del cambio de voltaje y la aplicacion de algoritmos espedficos para predecir el SOC de la batena.

En la practica, la determinacion de la resistencia de la batena a traves de la aplicacion de una fuente de corriente no es tan sencilla, como se identifica en la Solicitud de Patente Europea No. 1506497.5 (OXIS Energy et al), ya que hay otros factores relacionados con la duracion de un pulso de corriente aplicada y respuesta de la batena, utilizada para determinar la resistencia. Estos factores se basan tfpicamente en las caractensticas de una batena de litio-azufre bajo esfuerzo (o carga). Un intento de abordar los problemas de las caractensticas de una batena de litio-azufre mientras se encuentra bajo carga se abordo en la Solicitud de Patente Europea mencionada anteriormente No. 1506497.5 (OXIS Energy et al) utilizando un proceso de Minimizacion de Errores de Prediccion y una estimacion de SOC del Sistema de Inferencia Neuro-difuso Adaptativo, reivindicando un error promedio potencial en la determinacion de capacidad del 5% y error maximo del 14%. Sin embargo, la implementacion de esta tecnica requiere algoritmos bastante sofisticados y una capacidad de procesamiento adecuada para manejar el numero de calculos necesarios.

El documento US 2010/121591 se relaciona con un metodo y aparato para estimar el estado de carga de una batena. El metodo puede incluir la generacion de una o mas curvas que expresan la relacion a priori entre un primer parametro y un estado de carga (SOC) de una batena sobre una region de interes, tomando un derivado de la una o mas curvas generadas con respecto al estado de carga para generar un parametro derivado con el SOC de la batena sobre la region de interes, transformando una combinacion de una o mas curvas generadas en una o mas curvas suplementarias que expresan la relacion a priori entre un segundo parametro con uno o mas de corriente (Ip) de polarizacion (I) y voltaje de circuito abierto (OCV), la pendiente de voltaje con respecto a SOC (dOCV/dsOc), y cualquier combinacion de (I, Ip, OCV y dOCV / dSOC); medir un voltaje y una corriente de la batena durante un penodo de tiempo para crear un conjunto de datos de voltaje y corriente, procesar el conjunto de datos de voltaje y corriente para crear un conjunto de datos procesados, combinar una o mas curvas generadas con los datos procesados para generar datos procesados en funcion de SOC, hacer regresion de la funcion de datos de proceso en multiples SOC sobre la region de interes con respecto a una ecuacion que es representativa de la batena para obtener valores para parametros no asociados con SOC y generar una curva que evalue cada SOC respecto a la exactitud y la probabilidad de posibilidad de ajuste, seleccionar el SOC que minimiza tanto el error como la posibilidad de ocurrencia, y emitir el SOC seleccionado para mostrarlo al usuario en una interfaz de usuario. Por lo tanto, un objeto de la invencion es proporcionar un sistema mejorado para determinar el SOC de una batena de litio-azufre.

Resumen de la invencion

De acuerdo con diversas realizaciones de la invencion, se proporciona un sistema de gestion de batena de litio-azufre para determinar el estado de carga de una batena de litio-azufre, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones adjuntas 1 a 14. El sistema de gestion comprende un primer circuito que tiene al menos un elemento reactivo, y el primer circuito esta configurado para descargar y cargar cantidades fijas de carga desde y hacia la batena a traves del al menos un elemento reactivo. El sistema de gestion tambien comprende un segundo circuito para controlar la descarga y carga, y el segundo circuito esta configurado para medir el tiempo de descarga y el tiempo de carga de las cantidades fijas de carga, y determinar el estado de carga con base de esos tiempos.

Dado que la carga fija se aplica a la batena y desde ella a traves del al menos un elemento reactivo, el tiempo para descargar/cargar la batena mediante una cantidad fija de carga es una funcion de la resistencia interna de la batena, ya que la rata de descarga/carga a traves de al menos un elemento reactivo sera moderada por la resistencia interna. Como se senalo mas arriba, existe una relacion entre el SOC y la resistencia interna. Por lo tanto, tambien existe una relacion entre el SOC y los tiempos de descarga/carga, lo que permite determinar el SOC a partir de los tiempos de descarga/carga.

La resistencia interna de una batena de litio y azufre con respecto a una corriente de carga para un SOC dado, diferira de su resistencia interna con respecto a una corriente de descarga en el mismo SOC. Ademas, la resistencia interna bajo carga no siempre proporciona un SOC preciso para todos los SOC, y la resistencia interna bajo descarga no siempre proporciona un SOC preciso para todos los SOC, sin embargo, la combinacion de la resistencia interna al descargar (a traves de la descarga y la resistencia interna durante la carga (a traves del tiempo de carga) permite determinar un SOC preciso para todos los SOC. Esto se trata con mas detalle mas adelante con referencia a las caractensticas de descarga y carga que se muestran en la Fig. 1.

Preferiblemente, las cantidades fijas de carga comprenden una primera cantidad fija de carga que se descarga desde la batena durante el tiempo de descarga, y una segunda cantidad fija de carga que se carga en la batena durante el tiempo de carga, en la que la primera cantidad de carga y la segunda cantidad de carga fija son sustancialmente el mismo valor entre sf, de modo que la descarga y la carga no tienen un efecto general significativo sobre el estado de carga de la batena. Este proceso puede ser controlado automaticamente por la electronica, sin ningun impacto general significativo en la capacidad de la batena, lo que aumenta la precision de la estimacion de la capacidad.

Ventajosamente, al menos un elemento reactivo puede comprender un condensador de almacenamiento, y el tamano del condensador de almacenamiento puede fijar las cantidades fijas de carga que se descargan y cargan desde y hacia la batena. Por ejemplo, duplicar el tamano del condensador puede duplicar la cantidad fija de carga, cuando todos los demas factores no cambian. La cantidad fija de carga puede ser menor que la cantidad maxima de carga que el condensador puede almacenar, por ejemplo, si el condensador esta cargado y descargado entre el 90% y el 10% de su capacidad de carga. Preferiblemente, el condensador se carga y descarga entre menos del 98% y mas del 2% de su capacidad respectivamente, para evitar tiempos de carga y descarga excesivamente largos. Como sera evidente para los expertos en la tecnica, si la batena se uso para cargar y descargar el condensador entre el 100% y el 0% de su capacidad a traves de la resistencia interna de la batena, esto tomana mucho tiempo debido a la naturaleza exponencial de las caractensticas de carga y descarga.

Ya que la constante de tiempo de carga de un condensador se basa en su capacitancia y una resistencia en serie en lmea (constante de tiempo de RC), en este caso la capacitancia de almacenamiento en serie con la resistencia de batena interna, el tiempo para cargar la capacitancia de almacenamiento entre dos estados de carga, por ejemplo entre el 10% y el 90%, seran representativos de la resistencia interna.

Opcionalmente, el al menos un elemento reactivo puede comprender un inductor conectado al condensador de almacenamiento. Luego, se puede medir la corriente que fluye hacia y desde el condensador de almacenamiento a traves del inductor. La rata de cambio de esta corriente dependera de la resistencia interna de la batena y, por lo tanto, se puede medir el tiempo de transicion de la corriente entre dos valores diferentes para determinar la resistencia interna y, por lo tanto, SOC. Preferiblemente, una resistencia de deteccion de corriente esta conectada en serie con el inductor, donde el voltaje desarrollado a traves de la resistencia de deteccion de corriente corresponde a la corriente que fluye a traves del inductor, de modo que se puede medir facilmente la corriente.

Ventajosamente, el primer circuito puede comprender un convertidor elevador. Luego, el condensador de almacenamiento puede cargarse desde la batena mientras mide el tiempo de descarga, y luego, utilizando el convertidor elevador, la energfa en el condensador puede descargarse nuevamente en la batena, mientras se mide el tiempo de carga. Por ejemplo, el primer circuito puede comprender una red de conmutacion conectada al condensador de almacenamiento, la red de conmutacion configurada para conmutar un primer terminal del condensador de almacenamiento entre potenciales de voltaje mas bajos y mas altos para realizar la descarga y carga de la batena a traves de un segundo terminal del condensador de almacenamiento. Esta conmutacion puede comprender conmutar un condensador del deposito fuera de y en serie con el condensador de almacenamiento para realizar la descarga y carga de la batena respectivamente. El tamano del condensador del reservorio es preferiblemente mucho mayor que el tamano del condensador de almacenamiento, por ejemplo, al menos 20 veces mas grande, mas preferiblemente 50 veces mas grande, o 100 veces mas grande.

Para ayudar a mejorar la precision de las mediciones de tiempo y reducir la influencia de cualquier ruido en el sistema, el segundo circuito puede configurarse para cambiar repetidamente esta red de conmutacion para descargar y cargar la batena durante un numero repetido de veces, y para determinar el SOC con base en la suma de los tiempos de descarga y la suma de los tiempos de carga y, opcionalmente, una suma de los tiempos de descarga y carga. El numero de repeticion puede ser, por ejemplo, 10 veces, o incluso 100 veces. Una mejora adicional de la precision de la estimacion de la capacidad puede ser mediante el control continuo del SoC de la batena mientras no este en uso y el uso de algoritmos y tecnicas de promediar para rastrear el deterioro de la capacidad de la batena durante cualquier penodo de autodescarga.

El segundo circuito puede configurarse para determinar el SOC con base en una tabla de consulta que proporciona un valor de estado de carga para cada una de las multiples combinaciones de tiempos de descarga y carga. Por lo tanto, es posible que el sistema de administracion de la batena de azufre y litio no necesite realizar calculos complejos con el fin de determinar el SOC, sino que simplemente puede buscar el SOC correcto en la tabla de consulta con base en los tiempos de descarga y carga. Preferiblemente, la tabla de consulta puede modificarse para tener en cuenta la temperatura de la batena, y por lo que el sistema de gestion de la batena de azufre y litio puede comprender ademas un tercer circuito configurado para detectar la temperatura de la batena. La tabla de consulta tambien puede modificarse para tener en cuenta el envejecimiento de la batena, que se puede rastrear como se describe en el parrafo anterior.

De forma ventajosa, el segundo circuito puede configurarse para determinar el estado de la batena con base en la suma de los tiempos de descarga y carga. El estado puede determinarse comparando los tiempos de descarga y carga con los valores nominales de busqueda de referencia, asf como con un registro de los tiempos anteriores de descarga/carga Vs SOC guardados en la memoria.

Dado que los tiempos de descarga y carga son directamente proporcionales a la resistencia de la batena con respecto a la corriente de descarga y carga para una capacitancia fija, se pueden comparar los tiempos de descarga, una suma de los tiempos de carga, y una suma de los tiempos de descarga y carga con una tabla de consulta para determinar el SOC. Claramente, en lugar de modificar la tabla de consulta de acuerdo con la temperatura y el envejecimiento de la batena, la tabla de consulta puede permanecer igual y se pueden modificar las sumas de los tiempos de carga y descarga de acuerdo con la temperatura y el envejecimiento de la batena antes de compararlos con la tabla de consulta. Los efectos de temperatura y el envejecimiento de la batena sobre las batenas de azufre y litio son bien conocidos en la tecnica y, por lo tanto, no se describen en detalle aqrn.

Alternativamente, el SOC se puede calcular con base en formulas predeterminadas que especifican relaciones entre el SOC y los tiempos de descarga y carga, en lugar de usar una tabla de consulta.

El segundo circuito puede configurarse para controlar una diferencia de voltaje entre dos puntos del primer circuito, determinar que la descarga o carga este suficientemente completa cuando la diferencia de voltaje caiga por debajo de un nivel predeterminado, y en respuesta, cambie el primer circuito de descarga a carga, o carga a descarga, respectivamente. Por ejemplo, el segundo circuito puede determinar que la descarga esta completa cuando el voltaje a traves del resistor de deteccion de corriente conectado en serie con el inductor cae por debajo de un nivel predeterminado, o puede determinar que la carga se completa cuando el voltaje a traves del condensador de almacenamiento cae por debajo de un nivel predeterminado, dependiendo de si los dos puntos estan a traves de la resistencia de deteccion de corriente o el condensador de almacenamiento. A la inversa, el segundo circuito puede determinar que se completa la descarga cuando el voltaje a traves del condensador de almacenamiento aumenta por encima de un nivel predeterminado, o puede determinar que la carga se completa cuando se eleva el voltaje a traves de la resistencia de deteccion de corriente conectada en serie con el inductor por encima de un nivel predeterminado, anotando que el voltaje aumentara hacia cero desde un valor negativo dado que la corriente fluye a traves de la resistencia de deteccion de corriente en la direccion opuesta cuando se esta cargando en comparacion con la descarga. Claramente, el amplificador de diferencia se puede conectar a traves de otros dos puntos del primer circuito en lugar de a traves del condensador de almacenamiento o a traves de una resistencia de deteccion de corriente, siempre que los dos puntos muestren una variacion de diferencia de voltaje correspondiente a una constante de tiempo del al menos un elemento reactivo.

De manera ventajosa, se puede conectar una salida del amplificador diferencial a un terminal de control de la red de conmutacion, para alternar entre la descarga y la carga de la batena con base en la salida del amplificador diferencial. Esto proporciona retroalimentacion analoga y, por lo tanto, rapida a la red de conmutacion, de modo que el cambio entre la descarga y la carga se ejecuta sin demora.

Se proporciona ademas un metodo para determinar el SOC de una batena de litio y azufre, de acuerdo con la reivindicacion 15 adjunta. El metodo comprende medir una primera vez para descargar la batena de litio y azufre mediante una primera cantidad fija de carga, a traves de un primer elemento reactivo; medir una segunda vez para cargar la batena de litio y azufre mediante una segunda cantidad fija de carga, a traves de un segundo elemento reactivo; y determinar el estado de carga con base en el primer y segundo momento. El primer elemento reactivo es opcionalmente un mismo elemento reactivo como el segundo elemento reactivo, y la primera carga fija es opcionalmente la misma cantidad de carga que la segunda carga fija. Opcionalmente, la segunda vez puede tener lugar antes de la primera vez.

Esta divulgacion se refiere a descargar y cargar la batena, aunque esto no implica ningun requisito para que la descarga tenga lugar antes de la carga, y la carga puede tener lugar antes de la descarga, si se desea. Por convencion, se considera que la carga fluye desde un potencial de voltaje relativamente mas alto a un potencial de voltaje relativamente mas bajo.

Descripcion detallada

Las realizaciones de la invencion se describiran ahora solo a modo de ejemplo no limitativo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Fig. 1 muestra un grafico de las caractensticas de resistencia interna de la batena durante la carga y descarga de una batena tfpica de azufre y litio;

La Fig.2 muestra un diagrama esquematico de un sistema de gestion de batena de acuerdo con una primera realizacion de la invencion;

La Fig.3 muestra un diagrama de cronometrado de los niveles de carga sostenidos por un condensador del sistema de la Fig. 2 durante la carga y descarga de la batena.

La Fig.4 muestra un diagrama esquematico mas detallado de un sistema de gestion de batena de acuerdo con una segunda realizacion de la invencion;

La Fig. 5 muestra un grafico de la resistencia de batena mientras se carga una batena tfpica de azufre y litio, a varias temperaturas;

La Fig. 6 muestra un grafico de la resistencia de batena mientras se descarga una batena tfpica de azufre y litio, a varias temperaturas; y

La Fig.7 muestra un diagrama esquematico de un sistema de gestion de batena de acuerdo con una tercera realizacion de la invencion.

Las figuras no estan a escala, y los signos de referencia iguales o similares indican caractensticas iguales o similares.

Con referencia a la Fig. 1, se muestra un grafico de la resistencia interna de batena contra SOC, que muestra como la resistencia interna de una batena tfpica de azufre y litio generalmente disminuye a medida que su SOC aumenta de 0 (0% cargado) a 1.0 (100% cargado). El grafico incluye una curva 4 de resultados de medicion al cargar la batena y una curva 6 de resultados de medicion al descargar la batena. Se puede ver que la resistencia interna de la batena es mayor cuando la batena se esta descargando, que cuando la batena se esta cargando.

La curva 4 de carga tiene un pliegue 5 alrededor del 60% de SOC, lo que significa que la curva de carga sola no permite de manera inequvoca que se determine el SOC para cualquier valor de resistencia medido dado, por ejemplo, un valor de resistencia medido de 0.11 Ohm bajo carga podna corresponder a un SOC de aproximadamente 50%, o un SOC de aproximadamente 62%, dependiendo de a que lado del pliegue 5 corresponde realmente el resultado de la medicion. La curva 6 de descarga tiene un pliegue 7 a aproximadamente 80% SOC, que causa problemas similares al pliegue 5. Sin embargo, dado que estos pliegues ocurren en diferentes puntos a lo largo de las curvas 4 y 6 de SOC, se ha reconocido que se pueden usar las mediciones de resistencia tomadas tanto en la carga como en la descarga en combinacion entre sf para ayudar a identificar inequvocamente el SOC de una batena que se esta probando. Por ejemplo, volviendo al resultado de medicion de ejemplo de 0.11 Ohm bajo carga, la resistencia bajo descarga tambien podna medirse, con el fin de determinar si el resultado de medicion de 0.11 Ohm bajo carga corresponde a un punto antes o despues de la curva 5, correspondiente ya sea al 50% de SOC o al 62% de SOC. Los tiempos de carga y descarga medidos en la presente invencion son directamente proporcionales a las resistencias internas de carga y descarga de la batena, lo que permite determinar el SOC con base en los tiempos de carga y descarga.

Una primera realizacion de la invencion se describira ahora con referencia a la Fig. 2 y la Fig. 3. La Fig. 2 muestra un diagrama esquematico de un sistema de gestion de batena conectado a los terminales T1 y T2 positivo y negativo de una batena LSI de azufre y litio. En esta realizacion, la batena LSI de litio y azufre consiste en una sola celda, sin embargo, se apreciara que se pueden combinar multiples celdas en serie y/o paralelas entre sf dentro de la batena LSI en realizaciones alternativas. El sistema de gestion de batena comprende un primer circuito formado por las resistencias Ra y Rb, los condensadores Ca y Cb, los interruptores SWa y SWb y un diodo D1. El condensador Cb se considera un condensador de almacenamiento, ya que se utiliza para almacenar la descarga cargada desde la batena LSI, antes de cargar esa carga nuevamente en la batena LSI. El condensador Cb de almacenamiento tiene dos terminales, N1 y N2. El terminal N1 esta conectado al terminal T1 positivo de batena a traves de la resistencia Rb, y el interruptor SWb conecta el terminal N2 al terminal T2 negativo de batena (a traves del diodo D1), o al terminal n 3 del condensador Ca.

Se considera que el condensador Ca es un condensador de reserva, ya que se utiliza para almacenar una cantidad relativamente grande de carga, para aumentar y disminuir el voltaje del terminal N2 de condensador de almacenamiento, para controlar si el condensador de almacenamiento envfa carga a, o recibe la carga de, la batena LSI.

La resistencia Ra, el conmutador SWa y el condensador Ca de reserva estan todos conectados en serie entre sf entre los terminales T1 y T2 de batena, de modo que se puede usar el conmutador SWa para cambiar el condensador Ca de deposito y la resistencia Ra a conexion entre los terminales T1 y T2 de batena, con el fin de cargar el condensador Ca de deposito hasta el mismo voltaje que la batena LSI. La resistencia Ra tiene un valor pequeno, suficiente para evitar que una corriente excesivamente grande fluya hacia el condensador Ca de deposito cuando se cierra por primera vez el conmutador SWa. El conmutador SWa esta conectado al terminal N3 del condensador Ca de deposito, entre el condensador Ca de deposito y el terminal T1 positivo de batena.

El sistema de gestion de batena tambien comprende un segundo circuito, formado por un amplificador DA1 de diferencia y un microcontrolador MC1. El amplificador diferencial tiene dos entradas conectadas a los terminales N1 y N2 del condensador de almacenamiento, y controla la diferencia de voltaje entre esos dos terminales N1 y N2, y tiene una salida conectada al microcontrolador MC1. El microcontrolador MCl recibe la salida del amplificador DA1 de diferencia y genera senales M0 de control de conmutador con base en la salida, para controlar los conmutadores SWa y SWb.

En uso, el control M0 de conmutador de microcontrolador inicialmente cierra el conmutador SWa, y establece el conmutador SWb para conectar el terminal N2 de condensador de almacenamiento al terminal N3 de condensador de almacenamiento. Luego, se conectan los terminales T1 y T2 de la batena LSI que se van a medir al circuito, como se muestra, y la batena LSI carga el condensador Ca de reserva hasta el voltaje de batena, a traves de la resistencia Ra. Se descarga cualquier carga residual en el condensador Cb de almacenamiento, ya que sus terminales N1 y N2 estan conectados entre sf a traves de los conmutadores SWa y SWb y las resistencias Ra y Rb.

Una vez que se carga sustancialmente el condensador Ca de reserva, en un tiempo 0T, se abre el conmutador SWa y se conmuta el conmutador SWb para conectar el terminal N2 del condensador de almacenamiento al terminal T2 negativo de la batena a traves del diodo D1. Como se muestra en el diagrama de cronometrado de la Fig. 3, que muestra el voltaje entre los terminales N1 y N2 de condensador de almacenamiento, esto hace que se cargue el condensador Cb de almacenamiento a traves de la resistencia Rb. La resistencia Rb es pequena y su proposito es prevenir que una corriente excesivamente grande fluya desde la batena LSI cuando se comienza a cargar el condensador Cb de almacenamiento. La rata de esta carga tambien esta limitada por la resistencia interna de la batena LSI, como sera evidente para los expertos en la tecnica, y se combina esta resistencia interna con la resistencia Rb para formar un circuito RC en serie con una constante de tiempo de T = Resistencia interna Rb) * Cb, como tambien sera evidente para la persona experta en la tecnica. El eje x de la Fig. 2 esta marcado en terminos de esta constante de tiempo, y se puede ver en la Fig. 2 que el condensador Cb de almacenamiento alcanza el 90% de carga (un voltaje que es el 90% del voltaje de batena) despues de que ha transcurrido 2.2T.

Se mide este voltaje a traves del condensador Cb de almacenamiento por el amplificador DA1 de diferencia y se detecta por el microcontrolador MC1. Cuando este voltaje indica que el condensador Cb esta cargado al 10%, a 0.1T marcado en la Fig. 3, el microcontrolador MC1 comienza a cronometrarse. Cuando este voltaje indica que el condensador esta cargado al 90%, a 2.2T marcado en la Fig. 3, el microcontrolador detiene el cronometro y almacena este tiempo como el tiempo de descarga que la batena gasto para cargar el condensador de almacenamiento del 10% hasta el 90%. Ademas, el microcontrolador MC1 cambia la salida M0 de control de conmutador para conectar el terminal N2 del condensador Cb de almacenamiento al terminal N3 del condensador Ca de deposito. Dado que el condensador Ca de deposito ya esta cargado hasta el voltaje de la batena, esto incrementa el voltaje en el terminal N2 del condensador Cb de almacenamiento hasta el 100% del voltaje de la batena, por lo que el terminal N1 del condensador de almacenamiento sube hasta el 190% del voltaje de la batena. El condensador Cb de almacenamiento comienza a descargarse en la batena LS1 a traves de la resistencia Rb, cargando la batena LS1. El microcontrolador mide este tiempo de carga, comenzando desde 2.2T que se muestra en la Fig. 3.

Despues de 4.3 T, el voltaje de salida del amplificador DA1 de diferencia indica al microcontrolador que el voltaje a traves del condensador Cb de almacenamiento ha câ do a un 10% de carga (10% del voltaje de la batena), y el microcontrolador deja de cronometrar el tiempo de carga. En este punto, el microcontrolador podna usar el tiempo de descarga de 0.1T a 2.2T, y el tiempo de carga de 2.2T a 4.3T, en una comparacion con una tabla de consulta para determinar el SOC de la batena. Notese que el valor de T durante 0.1T a 2.2T sera diferente al valor de T durante 2.2T a 4.3T, debido a la resistencia interna diferente de la batena durante la descarga y la carga. En consecuencia, el eje x del grafico de la Fig. 3 no es completamente lineal.

En esta realizacion, en lugar de tomar solo el tiempo de descarga y el tiempo de carga, se lleva a cabo nuevamente el mismo ciclo de descarga y carga, y nuevamente, por un numero repetido de veces. Luego, se pueden sumar todos los tiempos de descarga, se pueden sumar todos los tiempos de carga, y se pueden sumar todos los tiempos de descarga y carga, para producir tres valores para compararlos con una tabla de consulta. Esto promediara los efectos de cualquier ruido o errores de medicion, y debena producir un resultado mas preciso. La cantidad de ciclos de descarga/carga a partir de los cuales se realizaran los calculos de SOC dependera de la precision requerida, la cantidad de celdas de batena conectadas en paralelo entre sf y la impedancia del sistema, pero por ejemplo, puede estar entre 10 a 100 ciclos de descarga/carga. El tamano del condensador Ca de deposito es preferiblemente mucho mas grande que el condensador Cb de almacenamiento, por ejemplo, el condensador Ca de deposito puede estar alrededor de 1f , y el condensador Cb de almacenamiento puede estar alrededor de 10mF. Luego, se pueden realizar multiples ciclos de descarga/carga sin que el voltaje a traves del condensador de deposito vane significativamente.

La tabla de consulta puede construirse inicialmente a partir de un conjunto de resultados de medicion tfpicos para batenas de azufre y litio, con tecnicas tal como el conteo de Coulomb que se usa para determinar que SOC corresponde tipicamente a que tiempos de descarga y carga. O, se podna medir un ciclo de descarga completo, utilizando los estados SOC del 100% y 0% para interpolar en que SOC estaba la batena cuando se midieron cada par de tiempos de descarga y carga.

Una segunda realizacion de la invencion se describira ahora con referencia a la Fig. 4, que muestra un diagrama esquematico mas detallado que el de la Fig. 2. El principio principal de operacion de la segunda realizacion es el mismo que el de la primera realizacion, con un terminal N5 de un condensador C2 de almacenamiento que esta conectado y desconectado de un condensador C1 de deposito, para cargar y descargar una batena LS2 de litio y azufre, respectivamente.

El diagrama esquematico de la Fig. 4 representa explfcitamente la resistencia interna de la batena LS2 con una resistencia R1, que variara bajo descarga y carga como se muestra en la Fig. 1. La resistencia R1 esta conectada en serie entre los terminales T3 y T4 de batena positivo y negativo. Un microcontrolador MC2 tiene una salida M3 para controlar cuando se carga el condensador C1 de deposito a traves de la resistencia R3, antes de los ciclos de descarga/carga, y una entrada M1 de un Op-Amp OP1 que forma un amplificador de diferencia para medir la diferencia de voltaje entre los terminales N4 y N5 del condensador C2 de almacenamiento. El microcontrolador MC2 controla la entrada M1 para medir la duracion de los tiempos de descarga y carga, y calcula el SOC de la batena LS2 con base en esos tiempos.

La conmutacion del condensador C1 de deposito fuera de y en serie con el condensador C2 de almacenamiento se controla mediante la retroalimentacion de la salida del OP Amp OP1. La salida del OP Amp se conecta directamente a la compuerta de un transistor SW3 de conmutacion, y se conecta a la compuerta de un transistor SW2 de conmutacion a traves de una compuerta NG1 de NOT, de manera que los transistores SW2 y SW3 de conmutacion forman colectivamente un conmutador de doble enganche de un unico polo similar a SWb de la Fig. 2.

Cuando el condensador C2 de almacenamiento tiene una carga del 10%, al comienzo del penodo de descarga cronometrado de la batena LS2, el voltaje en el terminal N5 es de 0V y el voltaje en el terminal N4 es del 10% del voltaje de la batena. La salida del OP Amp OP1 es la misma que el voltaje de la batena, y el conmutador SW2 esta abierto y el conmutador SW3 esta cerrado. Al final del penodo de descarga cronometrado de la batena, cuando el condensador C2 de almacenamiento tiene una carga del 90%, el voltaje en el terminal N5 es 0V y el voltaje en el terminal N4 es del 90% del voltaje de la batena, que causa que el OP Amp OP1 cambie su salida del voltaje de la batena a 0V, que cierra el conmutador SW2 y abre el conmutador SW3, iniciando el penodo de carga cronometrado de la batena LS2, con el voltaje en el terminal N5 igual que el voltaje de la batena y el voltaje en N4 cambiado al 190% del voltaje de la batena.

Cuando la batena esta cargada, el condensador C2 de almacenamiento cae en el nivel de carga, y cuando alcanza el 10% de la carga con un voltaje del 110% del voltaje de la batena en el terminal N4, la salida del Op Amp OP1 regresa al voltaje de batena. Este ciclo se repite continuamente, con el microcontrolador MC2 que mide los lfmites entre los penodos de tiempo de descarga y carga que corresponden a los cambios en la salida de Op Amp OP1. Usando estos tiempos, el microcontrolador MC2 calcula el SOC de la batena LS2. De manera intermitente, el microcontrolador MC2 puede cerrar el conmutador SW1 para reponer la carga en el condensador C1 de deposito.

El inductor L1 y la resistencia R2 limitan las sobrecargas de corriente en el condensador C2 de almacenamiento, y en esta realizacion tienen valores de 1uH y 0.03 Ohmios respectivamente. Esta resistencia R2 tambien actua como una resistencia de equilibrio que puede ajustarse para proporcionar una constante de tiempo optima para fines de medicion, y dependera de la resolucion y precision del sistema previsto y del numero de celdas de batena conectadas en paralelo. En esta realizacion, el condensador C1 de deposito es 1F, y el condensador C2 de almacenamiento es 10mF. En esta realizacion, las resistencias que forman el amplificador de diferencia junto con el OP Amp OP1 tienen valores de Rd1 = 12KOhm, Rd2 = 1.2KOhm, Rc1 = 10KOhm, Rc2 = 1.1KOhm. El diodo D2 se considera un diodo ideal sin cafda de voltaje cuando se conduce, sin embargo, las resistencias Rd1, Rd2, Rc1, Rc2 pueden ajustarse teniendo en cuenta la cafda de voltaje para un diodo real, como sera evidente para los expertos en la tecnica.

La resistencia interna de la batena LS2 ha sido representada como una resistencia fija de R1 por simplicidad, sin embargo, en realidad, la batena tiene una respuesta de impulso que causa alguna variacion en la resistencia efectiva durante los penodos de tiempo de descarga/carga. Sin embargo, esto no resta valor a la relacion entre los tiempos de descarga/carga y el SOC de la batena.

Cuando la batena LS2 tiene una unica celda en un estado de carga del 50%, un valor tfpico para el tiempo de descarga sena de 2.74 ms, que corresponde a la carga del condensador C2 de almacenamiento, y un valor tfpico para el tiempo de carga sena 3.46 ms durante la descarga del condensador C2 de almacenamiento.

Si se toman 100 ciclos de descarga/carga, entonces la acumulacion de tiempos entre los penodos de descarga (dp) 0.1T a 2.2T, penodos de carga (cp) 2.2T a 4.3T y penodo total (op) 0.1T a 4.3 T puede proporcionar valores en esta realizacion de 280 ms(dp), 300 ms(cp) y 580 ms(op) para un SOC del 20%, valores de 267 ms(dp), 348 ms(cp) y 615 ms(op) para un SOC de 40 %, y valor de 280ms(dp), 348ms (cp) y 628ms (op) para un SOC del 60%.

Las resistencias de descarga y carga de una batena tfpica de azufre y litio variaran de acuerdo con la temperatura a la que se encuentre la batena. Por lo tanto, si el sistema de gestion de batena debe funcionar en un intervalo de temperaturas, entonces es deseable una modificacion con base en la temperatura de ya sea la tabla de consulta o de los tiempos que se comparan con la tabla de consulta. Por consiguiente, el microcontrolador comprende ademas una entrada M2, que esta conectada a un sensor TS1 de temperatura del sistema de gestion de batena. El sensor TS1 de temperatura esta ubicado cerca de la batena LS2, por lo que mide la temperatura de la batena LS2.

La grafica de la Fig. 5 muestra varias curvas a diferentes temperaturas, que muestra como la resistencia interna de una batena tfpica de azufre y litio vana mientras se carga a medida que se agrega mas y mas carga a la batena. Adicionalmente, el grafico de la Fig. 6 muestra varias curvas a diferentes temperaturas, mostrando como la resistencia interna de una batena tfpica de azufre y litio vana mientras se descarga a medida que mas y mas carga se descarga de la batena. La temperatura claramente tiene un efecto significativo sobre la resistencia, sin embargo, la relacion entre resistencia y temperatura es bien conocida en la tecnica, y por lo que el microcontrolador MC2 puede modificar facilmente los tiempos de descarga y carga medidos con base en las relaciones conocidas para compensar la temperatura.

Usando tres conjuntos de mediciones tomadas en diferentes estados de carga, tambien puede ser posible compensar los cambios en la resistencia interna de la batena debido a la temperatura, el envejecimiento y la carga externa comparando los valores absolutos de cp, dp y op contra una referencia ideal para cualquier estado dado de carga. Por ejemplo, se puede ver en los graficos de la Fig. 4 y la Fig. 5 que el cambio de resistencia con respecto a la temperatura es mayor para la batena al descargar, que lo que es cuando se esta cargando. La rata con la que los valores cambian a temperaturas espedficas se puede utilizar para indicar el estado de vida de la batena y, a su vez, el deterioro de la capacidad de la batena. Se puede aplicar un algoritmo con base en la temperatura y los valores de cp, dp y op para compensar el cambio en la capacidad de una batena de Li-S debido a la temperatura, y contra los valores ideales para un cambio en la capacidad debido al envejecimiento o la carga de la batena.

Ademas, dado que la resistencia de la batena puede medirse adicionalmente como una funcion de la magnitud de la carga aplicada y la frecuencia con la que se aplica, los valores de C2 y/o L1 pueden variar para alterar la carga de impulso vista por la batena y la frecuencia de descarga/carga para producir diferentes conjuntos de resultados de medicion. Por ejemplo, los componentes variables se pueden usar para C2 y/o L1, o se podnan incorporar circuitos adicionales con C2 y/o L1 configurados a diferentes valores en el sistema de administracion de la batena. Se podnan usar los resultados obtenidos por estos resultados de medicion adicionales para mejorar la precision, validar los resultados de medicion originales y, mas espedficamente, permitir que se compensen los efectos de la temperatura y el envejecimiento de la batena al validar las variaciones de resistencia segun lo observado por las condiciones de carga variables de los multiples circuitos. Por ejemplo, C2 podna establecerse a 10mF para un primer conjunto de mediciones, y luego a 20mF para un segundo conjunto de mediciones.

Se muestra una tercera realizacion de la invencion en la Fig. 7, y esto es igual a la segunda realizacion, excepto que el amplificador de diferencia formado por el OP Amp OP1 mide el voltaje entre los terminales N6 y N7 de la resistencia R2. Por lo tanto, la resistencia R2 actua como una resistencia de deteccion de corriente y permite medir la corriente que fluye dentro y fuera del condensador C2. Durante la descarga de la batena LS2, el terminal N7 esta a un voltaje mas alto que N6, sin embargo, cuando el nivel de corriente cae suficientemente a medida que el condensador de almacenamiento alcanza el 90% de carga, la salida Op Amp OP1 pasa del voltaje de la batena a 0V, comenzando la carga de la batena LS2. El terminal N6 esta a un voltaje mas alto que N7, sin embargo, cuando el nivel de corriente cae suficientemente a medida que el condensador de almacenamiento cae al 10% de carga, la salida Op Amp OP1 pasa de 0V hasta el voltaje de la batena, iniciando el penodo de descarga. El microcontrolador MC2 mide las transiciones en la salida del Op Amp en la entrada M1, de la misma manera que se describio anteriormente en la segunda realizacion.

Se apreciara que podnan implementarse muchas otras disposiciones de elementos reactivos para proporcionar circuitos que tienen periodos de descarga/carga medibles, y que podnan medirse voltajes entre varios puntos de estos circuitos para determinar la descarga/carga de cantidades fijas de carga desde y hacia la batena a traves de estos circuitos.

Seran evidentes muchas otras variaciones de las realizaciones descritas que caen dentro del alcance de la invencion para los expertos en la tecnica.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de gestion de batena de litio y azufre para determinar un estado de carga de una batena (LSI, LS2) de litio y azufre, caracterizado porque el sistema de gestion comprende un primer circuito que tiene al menos un elemento reactivo, el primer circuito configurado para descargar y cargar cantidades fijas de carga desde y hacia la batena (LSI, LS2) a traves del al menos un elemento reactivo, y un segundo circuito para controlar la descarga y carga, en el que el segundo circuito esta configurado para medir un tiempo de descarga y un tiempo de carga de las cantidades fijas de carga, y determinar el estado de la carga con base en esos tiempos.

2. El sistema de gestion de batena de litio y azufre de la reivindicacion 1, en el que al menos un elemento reactivo comprende un condensador (Cb, C2) de almacenamiento, y en el que un tamano del condensador de almacenamiento fija las cantidades fijas de carga que se descargan desde y se cargan a la batena (LSI, LS2).

3. El sistema de gestion de batena de litio y azufre de la reivindicacion 2, en el que el al menos un elemento reactivo comprende un inductor (L1) conectado al condensador (C2) de almacenamiento.

4. El sistema de gestion de batena de litio y azufre de la reivindicacion 2 o 3, en el que el primer circuito comprende una red de conmutacion conectada al condensador (Cb, C2) de almacenamiento, la red de conmutacion esta configurada para conmutar un primer terminal del condensador (Cb, C2) de almacenamiento entre los potenciales de voltaje mas bajos y mas altos para realizar la descarga y carga de la batena (LSI, LS2) a traves de un segundo terminal del condensador de almacenamiento (Cb, C2).

5. El sistema de gestion de batenas de azufre y litio de la reivindicacion 4, en el que el primer circuito comprende un condensador (Ca, C1) de deposito, y en el que la red de conmutacion esta configurada para conmutar el condensador (Ca, C1) de deposito fuera de y en serie con el condensador (Cb, C2) de almacenamiento para realizar la descarga y carga de la batena (LSI, LS2) respectivamente.

6. El sistema de gestion de batena de azufre y litio de cualquier reivindicacion precedente, en el que el primer circuito comprende un conmutador (SWa, SW1) para cargar el condensador (Ca, C1) de deposito con la batena (LSI, LS2), antes de la conmutacion del condensador (Ca, C1) de deposito fuera de y en serie con el condensador (Cb, C2) de almacenamiento para realizar la descarga y carga de la batena (LSI, LS2).

7. El sistema de administracion de batenas de azufre y litio de cualquier reivindicacion anterior, en el que el segundo circuito esta configurado para controlar una diferencia de voltaje entre dos puntos del primer circuito, determinar que la descarga o carga estan suficientemente completas cuando la diferencia de voltaje cae por debajo de un nivel predeterminado y, en respuesta, conmutar el primer circuito de descarga a carga, o de carga a descarga, respectivamente.

8. El sistema de gestion de batena de litio y azufre de la reivindicacion 7 cuando se adjunta a cualquiera de las reivindicaciones 4, 5 o 6, en el que el segundo circuito comprende un amplificador (DA1, OP1) de diferencia para determinar la diferencia de voltaje entre los dos puntos, y en el que se conecta una salida del amplificador (DA1, OP1) de diferencia a un terminal de control de la red de conmutacion, para alternar entre la descarga y carga de la batena (LSI, LS2) con base en la salida del amplificador de diferencia.

9. El sistema de gestion de batenas de azufre y litio de cualquier reivindicacion anterior, en el que se configura el segundo circuito para determinar el estado de carga con base en una tabla de consulta que proporciona un valor de estado de carga para cada una de las multiples combinaciones de tiempos de carga y descarga.

10. El sistema de gestion de batena de litio y azufre de la reivindicacion 9 cuando se adjunta a la reivindicacion 8, en el que el segundo circuito comprende un microcontrolador (MC1, MC2) configurado para cronometrar los tiempos de descarga y carga con base en la salida del amplificador (DA1, OP1) de diferencia, y determinar el estado de carga con base en la tabla de consulta.

11. El sistema de gestion de batena de azufre y litio de cualquier reivindicacion anterior, en el que el segundo circuito esta configurado para conmutar repetidamente el primer circuito para descargar y cargar la batena (LS1, LS2) por un numero repetido de veces, y determinar el estado de carga con base en la suma de los tiempos de descarga, una suma de los tiempos de carga y, opcionalmente una suma de los tiempos de descarga y carga.

12. El sistema de gestion de batena de azufre y litio de la reivindicacion 11, en el que el segundo circuito esta configurado para determinar el estado de la batena con base en la suma de los tiempos de descarga y carga.

13. El sistema de gestion de batena de azufre y litio de cualquier reivindicacion anterior, que comprende ademas un tercer circuito configurado para detectar una temperatura de la batena, en el que el segundo circuito esta configurado para determinar el estado de carga con base ademas en la temperatura de la batena.

14. El sistema de gestion de batena de azufre y litio de cualquier reivindicacion anterior, en el que las cantidades fijas de carga comprenden una primera cantidad fija de carga que se descarga de la batena durante el tiempo de descarga, y una segunda cantidad fija de carga que se carga en la batena durante el tiempo de carga, en el que la primera cantidad fija de carga y la segunda cantidad fija de carga tienen sustancialmente el mismo valor entre sf, de modo que la descarga y carga no tienen un efecto general significativo sobre el estado de carga de la batena.

15. Un metodo para determinar el estado de carga de una batena (LSI, LS2) de litio y azufre, caracterizado porque el metodo comprende:

medir una primera vez para descargar la batena (LSI, LS2) de litio y azufre mediante una primera cantidad fija de carga, a traves de un primer elemento reactivo;

medir una segunda vez para cargar la batena de litio y azufre (LSI, LS2) mediante una segunda cantidad fija de carga, a traves de un segundo elemento reactivo; y

determinar el estado de carga con base en el primer y segundo momento,

en el que el primer elemento reactivo es opcionalmente un mismo elemento reactivo como el segundo elemento reactivo, y en el que la primera cantidad fija de carga es opcionalmente una misma cantidad de carga como la segunda cantidad fija de carga.