ES2939724T3 - Sistema de gestión de batería con control de conmutador, en particular para un vehículo sobre carriles - Google Patents

Sistema de gestión de batería con control de conmutador, en particular para un vehículo sobre carriles Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un sistema de gestión de batería (1), en particular para un vehículo sobre raíles, que comprende una batería de sistema (12), una disposición de barra colectora (14), un interruptor de protección de batería (10) para la conexión controlable del sistema batería a la disposición de barras colectoras (14), y al menos un dispositivo de conmutación (171-174) para la conexión controlable de al menos un grupo de carga (VG1-VGn) a la disposición de barras colectoras (14). También se proporciona un dispositivo de control (11) para controlar las operaciones de conmutación para conmutar el interruptor de protección de la batería (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) y un balasto (13) para generar una corriente de conmutación para conmutar la protección de la batería. interruptor (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de gestión de batería con control de conmutador, en particular para un vehículo sobre carriles
La invención se refiere a un sistema de gestión de batería en particular para un vehículo sobre carriles según el preámbulo de la reivindicación 1.
Un sistema de gestión de batería de este tipo comprende una batería de instalación, una disposición de carril tomacorriente, un conmutador de protección de batería para conectar de manera conmutable la batería de instalación a la disposición de carril tomacorriente y al menos un dispositivo de conmutación para conectar de manera conmutable al menos un grupo de consumidor a la disposición de carril tomacorriente.
Los vehículos sobre carriles presentan habitualmente baterías de instalación que sirven como sistemas auxiliares para el suministro eléctrico cuando un vehículo sobre carriles eléctricamente accionado no está conectado justamente a un suministro eléctrico externo, en particular un catenaria (línea aérea), o cuando en el caso de un vehículo con accionamiento de motor de combustión no se realiza ninguna alimentación de energía del sistema de alimentación de a bordo eléctrico o no es suficiente la potencia de partida del convertidor del sistema de alimentación de a bordo existente en determinados estados de funcionamiento. Un sistema de gestión de batería sirve en este contexto para monitorizar, controlar y conmutar la batería de instalación. Para ello, el sistema de gestión de batería presenta un conmutador de protección de batería, a través del cual puede conectarse la batería de instalación a la disposición de carril tomacorriente para proporcionar mediante esto así como a través de uno o varios dispositivos de conmutación un suministro eléctrico para uno o varios grupos de consumidores del vehículo sobre carriles.
Las baterías de instalación pueden estar configuradas por ejemplo como acumuladores de plomo, por ejemplo como acumuladores de plomo-gel. En el caso de tales baterías de instalación ha de evitarse un estado de descarga profunda (designado como estado de descarga profunda) para impedir un daño en la batería de instalación o también su pérdida total de potencia, lo que hace necesario monitorizar el estado de carga de la batería de instalación con el uso de sensores adecuados que miden el flujo de corriente y la dirección de corriente de la batería de instalación y/o de la disposición de carril tomacorriente para sacar conclusiones a partir de esto sobre el estado de carga de la batería. Ya que en el caso de disposiciones habituales están dispuestos los componentes de un sistema de gestión de batería de este tipo de manera distribuida en un vehículo sobre carriles y por consiguiente es necesario un gasto de cableado considerable, puede ser difícil una medición eficaz del estado de carga dado el caso y probablemente puede estar influida por señales parásitas. Además tales componentes dispuestos de manera distribuida de un sistema de gestión de batería presentan una demanda de espacio que no ha de descuidarse en un vehículo sobre carriles.
Por el documento DE 38 22 021 C1 se conoce una disposición de conmutación para la monitorización de tensión mínima, en la que un comparador ajustable mide la tensión de batería y al quedar por debajo de una tensión típica del estado de descarga desconecta los consumidores alimentados por la batería a través de uno o varios elementos de conmutación.
Por el documento DE 10026835 A1 se conoce un grupo constructivo concebido como sistema de gestión de batería programable para un vehículo sobre carriles, que está equipado con un núcleo de computadora.
Para el funcionamiento de conmutadores de protección de batería se han descrito en el documento DE 202011 051 972 U1 y el documento WO 2017/093552 A1 disposiciones de conmutación y procedimientos que permiten el funcionamiento de conmutadores de protección de batería con electroimanes en un amplio intervalo de tensión de partida y una característica de recorrido-tiempo adaptada al conmutador.
El objetivo de la invención es facilitar un sistema de gestión de batería que pueda estar estructurado de manera sencilla y compacta y a este respecto permitir el control eficaz, seguro desde el punto de cista funcional del funcionamiento de una batería de instalación.
Este objetivo se consigue por medio de un objeto con las características de la reivindicación 1.
Según esto, el sistema de gestión de batería presenta un dispositivo de control para controlar procesos de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación y un aparato de conmutación previa para generar una corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación, en donde el dispositivo de control está configurado de modo que este facilite al aparato de conmutación previa un valor teórico de la corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación.
El dispositivo de control sirve para controlar una conmutación del conmutador de protección de batería y del al menos un dispositivo de conmutación para conectar la batería de instalación eléctricamente a grupos de consumidores o separarla de los grupos de consumidores. La conexión de la batería de instalación con la disposición de carril tomacorriente a través del conmutador de protección de batería y además con uno o varios grupos de consumidores a través de uno o varios dispositivos de conmutación se realiza por consiguiente de manera controlada a través del dispositivo de control, accionando el dispositivo de control el aparato de conmutación previa para generar una corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación. El dispositivo de control está configurado en este sentido para predeterminar para el aparato de conmutación previa un valor teórico de una corriente de conmutación que va a usarse en cada caso, de modo que el aparato de conmutación previa puede generar la respectiva corriente de conmutación por medio del valor teórico predeterminado y puede transferirse la corriente de conmutación por consiguiente al conmutador de protección de batería o al al menos un dispositivo de conmutación.
El conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación comprenden preferentemente en cada caso uno o varios electroimanes, que se energetizan a través de la corriente de conmutación generada por el aparato de conmutación previa y por consiguiente se accionan para conmutar de manera mecánica el conmutador de protección de batería o bien el al menos un dispositivo de conmutación. Dependiendo de la configuración del conmutador de protección de batería y del al menos un dispositivo de conmutación, por ejemplo dependiendo del número de electroimanes usados en el conmutador de protección de batería o en el al menos un dispositivo de conmutación, puede variar en este sentido la corriente de conmutación necesaria. De manera correspondiente, el dispositivo de control predetermina para el aparato de conmutación previa, dependiendo del componente que va a accionarse, un valor teórico de la corriente de conmutación, de modo que el aparato de conmutación previa por medio del valor teórico predeterminado pueda generar y poner a disposición una corriente de conmutación adecuada para accionar el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación.
De manera correspondiente, el dispositivo de control está configurado para predeterminar un primer valor teórico de una corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería y un segundo valor teórico distinto del primer valor teórico de una corriente de conmutación para conmutar el al menos un dispositivo de conmutación. Si están previstos varios dispositivos de conmutación para conectar de manera conmutable varios grupos de consumidores con la disposición de carril tomacorriente, entonces los valores teóricos para los dispositivos de conmutación de los distintos grupos de consumidores pueden ser iguales o (dependiendo de la forma estructural concreta de los dispositivos de conmutación) también distintos.
Ya que el dispositivo de control predetermina para el aparato de conmutación previa valores teóricos para ajustar distintas corrientes de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería y uno o varios dispositivos de conmutación, es suficiente en el contexto del sistema de gestión de batería un único aparato de conmutación previa en interacción con el dispositivo de control. Un único aparato de conmutación previa se usa para el accionamiento del conmutador de protección de batería al igual que uno o varios dispositivos de conmutación, lo que puede posibilitar una forma estructural compacta del sistema de gestión de batería por ejemplo en una carcasa unitaria.
El aparato de conmutación previa presenta un ajustador del valor teórico de ajustar la corriente de conmutación dependiendo del valor teórico recibido por el dispositivo de control. A través del ajustador del valor teórico se ajusta la magnitud de la corriente de conmutación necesaria, en donde el ajustador del valor teórico puede interactuar por ejemplo con una etapa de potencia del aparato de conmutación previa para generar la corriente de conmutación predeterminada en cada caso. A través de la etapa de potencia se genera y se suministra la corriente de conmutación necesaria en cada caso para energetizar el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación de manera adecuada dependiendo del proceso de conmutación que va a realizarse.
El dispositivo de control acciona a este respecto además varios elementos de conmutación, que realizan la distribución de las corrientes de conmutación proporcionadas por el aparato de conmutación previa, adaptadas al respectivo dispositivo de conmutación en los dispositivos de conmutación que van a accionarse en cada caso.
Preferentemente, estos elementos de conmutación, por ejemplo en forma de relé, pueden estar dispuestos dentro del dispositivo de control. Los elementos de conmutación pueden estar configurados igualmente como elementos de conmutación semiconductores.
En una configuración ventajosa, el dispositivo de control, el aparato de conmutación previa, el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación están dispuestos en una carcasa común, también designada como caja de herramientas. El dispositivo de control, el aparato de conmutación previa, el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación pueden estar combinados entre sí por consiguiente de manera compacta para dar un aparato unitario, en donde este componente está dispuesto preferentemente en proximidad espacial directa a la batería de instalación y dado el caso también a otros componentes, con los que interactúa la batería de instalación (por ejemplo, un aparato de carga de batería).
La disposición espacialmente próxima de los componentes del sistema de gestión de batería uno con respecto a otro tiene la ventaja adicional de que puede detenerse fácilmente un gasto de cableado para conectar los componentes entre sí, por ejemplo para conectar el dispositivo de control al conmutador de protección de batería, con el al menos un dispositivo de conmutación, con sensores y con otros grupos estructurales. Ya que un cableado puede establecerse además a través de longitudes cortas de línea, se han reducido influencias parásitas por ejemplo sobre las señales del sensor.
Además resulta una necesidad de espacio de construcción reducida para el sistema de gestión de batería, que puede disponerse de manera compacta, concentrada en un vehículo sobre carriles.
En una configuración, el dispositivo de control está configurado para desencadenar un proceso de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación dependiendo y con consideración de un estado de carga de la batería de instalación. La conmutación del conmutador de protección de batería y/o el al menos un dispositivo de conmutación para conectar o desconectar uno o varios grupos de consumidores se realiza por consiguiente dependiendo de un estado de carga y por consiguiente una capacidad de alimentación de la batería de instalación. Antes de la conmutación del conmutador de protección de batería o del al menos un dispositivo de conmutación se comprueba el estado de carga de la batería de instalación, por ejemplo por medio de la tensión de la batería que está lista en la batería de instalación, y se inicia un proceso de conmutación por ejemplo para conectar un grupo de consumidor solo cuando se ha garantizado por medio del estado de carga que la capacidad de alimentación de la batería de instalación es suficiente para alimentar el respectivo componente de consumidor.
La conmutación del conmutador de protección de batería y/o del al menos un dispositivo de conmutación se realiza por consiguiente dependiendo de una comprobación del estado de carga de la batería de instalación. Si la tensión de la batería es, por ejemplo, inferior a un valor límite predeterminado de la tensión de la batería, entonces se concluye a partir de esto una capacidad de alimentación insuficiente de la batería de instalación y no se inicia un proceso de conmutación del conmutador de protección de batería o del al menos un dispositivo de conmutación.
En una configuración, el sistema de gestión de batería presenta un sensor de corriente de batería para medir un flujo de corriente entre la batería de instalación y la disposición de carril tomacorriente. Con el uso del sensor de corriente de batería puede calcularse por ejemplo un pronóstico de vida útil para el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación, evaluándose el número de procesos de conmutación para el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación junto con las corrientes que se producen durante los procesos de conmutación individuales. En este sentido, adicionalmente al sensor de corriente de batería puede incluirse conjuntamente también un sensor de corriente de instalación para la medición de un flujo de corriente en la disposición de carril tomacorriente para concluir, por medio de valores de medición obtenidos a través del sensor de corriente de batería y del sensor de corriente de instalación en caso de procesos de conmutación, sobre qué vida útil ha de esperarse aún para el conmutador de protección de batería y el al menos un dispositivo de conmutación.
La evaluación puede realizarse por ejemplo por medio de una curva característica asignada al tipo del conmutador de protección de batería o del al menos un dispositivo de conmutación, que conecta la vida útil (indicada por ejemplo como número de ciclos de conmutación que aún han de esperarse) con la corriente durante la conmutación. Esto se basa en el hecho de que los procesos de conmutación frecuentes con flujo de corriente grande reducen la vida útil del conmutador de protección de batería o bien del al menos un dispositivo de conmutación, lo que puede evaluarse por medio de una evaluación de los procesos de conmutación individuales y de las corrientes que se producen a este respecto.
Un pronóstico de vida útil puede crearse además también para la batería de instalación con inclusión de la tensión de bloque en la batería de instalación, de la temperatura del electrolito, del número de ciclos de carga o de otros parámetros.
En una configuración, el conmutador de protección de batería está configurado de manera bipolar para conmutar dos circuitos de corriente, a través de los cuales puede conectarse la batería de instalación a la disposición de carril tomacorriente. La disposición de carril tomacorriente presenta por ejemplo dos carriles tomacorriente (asignados a la tensión de la batería positiva y a la tensión de la batería negativa) que pueden conectarse a través de en cada caso un circuito de corriente a la batería de instalación. El conmutador de protección de batería configurado de manera bipolar sirve para conmutar los dos circuitos de corriente, de modo que a través del conmutador de protección de batería pueden separarse ambos circuitos de corriente de la disposición de carril tomacorriente o bien pueden conectarse de manera conmutable a la disposición de carril tomacorriente.
Ya que a través del conmutador de protección de batería se realiza una conmutación en dos circuitos de corriente paralelos, el conmutador de protección de batería puede presentar por ejemplo dos electroimanes que van a energizarse para el ajuste mecánico de conmutadores correspondientes. De manera correspondiente puede requerir el conmutador de protección de batería una corriente de conmutación comparativamente grande para conmutar.
El conmutador de protección de batería puede estar configurado en este sentido de manera biestable con dos estados de conmutación estables. El conmutador de protección de batería puede conmutarse por consiguiente entre un estado de conexión, en el que los circuitos de corriente están conectados eléctricamente a la disposición de carril tomacorriente, y un estado de desconexión, en el que los circuitos de corriente están separados de la disposición de carril tomacorriente, en donde el conmutador de protección de batería en cada estado de conmutación está en una posición estable y por consiguiente debe energizarse no de manera separada para el mantenimiento en la posición de conmutación justamente adoptada.
El al menos un dispositivo de conmutación, a través del cual pueden conectarse uno o varios grupos de consumidores a la disposición de carril tomacorriente, está configurado por ejemplo de manera monopolar y sirve por consiguiente para conectar de manera conmutable un (único) circuito de corriente a la disposición de carril tomacorriente. También el al menos un dispositivo de conmutación puede estar configurado en este sentido de manera biestable con dos estados de conmutación estables, o sea un estado de conexión y un estado de desconexión, de modo que puede ajustarse el al menos un dispositivo de conmutación entre sus posiciones de conmutación estables.
Ya que el al menos un dispositivo de conmutación conmuta solo un circuito de corriente, el al menos un dispositivo de conmutación puede presentar por ejemplo únicamente un electroimán para conmutar de manera mecánica un conmutador correspondiente. De manera correspondiente puede ser la corriente de conmutación, la que requiere el al menos un dispositivo de conmutación, más pequeña en comparación con la corriente de conmutación del conmutador de protección de batería.
El conmutador de protección de batería y/o el al menos un dispositivo de conmutación pueden presentar por ejemplo en cada caso una función de seguridad térmica y/o magnética.
Por medio de una función de seguridad térmica se monitoriza un sobrecalentamiento térmico en el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación y, si una temperatura en el conmutador de protección de batería o el dispositivo de conmutación debía aumentar por encima de un valor límite predeterminado, se inicia una correspondiente contramedida para, por ejemplo, una desconexión del conmutador de protección de batería o del dispositivo de conmutación. Una función de seguridad térmica de este tipo sirve para reconocer un calentamiento, que se produce debido a un flujo de corriente grande (sobredimensionado), que fluye a través de un espacio de tiempo más largo, en el conmutador de protección de batería o el dispositivo de conmutación, para iniciar dado el caso una contramedida.
Adicionalmente o como alternativa pueden presentar el conmutador de protección de batería y/o el al menos un dispositivo de conmutación una función de seguridad magnética. En el contexto de una función de seguridad magnética de este tipo se reconoce un fuerte aumento de la corriente en el conmutador de protección de batería o el al menos un dispositivo de conmutación y por consiguiente una modificación de corriente grande (sobredimensionada), detectable de manera magnética para iniciar una contramedida adecuada, por ejemplo una desconexión, en caso de aumento de corriente excesivo.
Ya que el conmutador de protección de batería y/o el al menos un dispositivo de conmutación presentan funciones de seguridad integradas, puede prescindirse de utensilios adicionales, por ejemplo un fusible o similares, que se han previsto convencionalmente para una función de seguridad de este tipo, lo que simplifica la forma de construcción y reduce además el espacio necesario de construcción.
En una configuración, el sistema de gestión de batería presenta un aparato de carga de batería, que está conectado a la disposición de carril tomacorriente y sirve para cargar la batería de instalación. El dispositivo de control está configurado en este sentido para controlar el aparato de carga de batería dependiendo de un estado de carga de la batería de instalación, de modo que dependiendo de en qué estado de carga se encuentra la batería de instalación, puede cargarse la batería de instalación a través del aparato de carga de batería.
El dispositivo de control puede estar configurado en este sentido también para generar mensajes y suministrarlos a través de, por ejemplo, un sistema de bus de datos a un sistema supraordinado, de modo que pueda indicarse por ejemplo a un conductor que se realiza un proceso de carga (el denominado proceso de carga de compensación) de la batería de instalación. Si la batería de instalación se carga de nuevo por ejemplo a partir de un estado de descarga profunda, entonces debía realizarse esto con el uso de una corriente comparativamente baja (designada como I20, de manera correspondiente a una vigésima parte de la corriente nominal), en donde un proceso de carga de compensación de este tipo debía realizarse de manera ininterrumpida durante un espacio de tiempo más largo, por ejemplo durante un espacio de tiempo entre 24 horas y 48 horas. Si por consiguiente se indica al conductor que se realiza un proceso de carga de compensación, entonces puede garantizar el conductor que el vehículo sobre carriles se ha conectado durante un espacio de tiempo necesario a un suministro eléctrico externo, por ejemplo a una catenaria.
Un proceso de carga de compensación puede controlarse de manera automática mediante el dispositivo de control de tal manera que se inicie automáticamente un proceso de carga de compensación tan pronto como el estado de carga de la batería de instalación caiga por debajo de un valor límite predeterminado. En este caso se carga de nuevo de manera automática la batería de instalación hasta que en la batería de instalación exista de nuevo una capacidad de alimentación suficiente.
En una configuración, el sistema de gestión de batería presenta una disposición de almacenamiento de energía conectada a la disposición de carril tomacorriente, por ejemplo en forma de una disposición de condensador por ejemplo con el uso los denominados supercondensadores, para proporcionar energía eléctrica en un estado de descarga profunda de la batería de instalación. También la disposición de almacenamiento de energía se controla a través del dispositivo de control de tal manera que en un estado de descarga profunda de la batería de instalación pueda facilitarse energía a través de la disposición de almacenamiento de energía para poder realizar funciones básicas en el vehículo sobre carriles. Una disposición de almacenamiento de energía de este tipo puede conectarse en particular cuando la batería de instalación está descargada de manera extrema y dado el caso incluso está dañada. En este caso, en lugar de una recarga de la batería de instalación, puede conectarse la disposición de almacenamiento de energía por ejemplo en forma de la disposición de condensador para permitir la realización de funciones básicas en el vehículo sobre carriles.
En una configuración, el sistema de gestión de batería presenta una pluralidad de dispositivos de conmutación para conectar de manera conmutable una pluralidad de grupos de consumidores a la disposición de carril tomacorriente. Distintos grupos de consumidores pueden estar agrupados en este sentido por medio de la prioridad de los consumidores. Un primer grupo de consumidor puede comprender por ejemplo aquellos consumidores que son necesarios para proporcionar funciones básicas en un vehículo sobre carriles, por ejemplo una iluminación básica del vehículo sobre carriles, funciones básicas del sistema de accionamiento del vehículo sobre carriles o un control de puertas del vehículo sobre carriles. Un segundo grupo de consumidor puede comprender por el contrario consumidores que se corresponden con un nivel de confort elevado, por ejemplo un grupo de construcción de calefacción o un grupo de construcción de iluminación para una iluminación completa del vehículo sobre carriles. Un tercer grupo de consumidor puede comprender consumidores de un nivel de confort más elevado, por ejemplo consumidores en forma de un sistema de instalación de aire acondicionado o de un sistema de inversor para enchufes para portátiles o similares. A través de los dispositivos de conmutación se conectan estos grupos de consumidores de manera separada uno de otro a la disposición de carril tomacorriente y por consiguiente se alimentan a través de la batería de instalación dependiendo del estado de conmutación del conmutador de protección de batería y de los dispositivos de conmutación.
En este sentido puede ser ventajoso escalonar temporalmente la conexión y también la desconexión de los grupos de consumidores. La conexión puede controlarse en este sentido dependiendo también de un estado de carga y una capacidad de alimentación de la batería de instalación, conectándose en primer lugar un primer grupo de consumidor a través de un primer dispositivo de conmutación asignado, entonces un segundo grupo de consumidor a través de un segundo dispositivo de conmutación asignado y de manera temporalmente desplazada un tercer grupo de consumidor a través de un tercer dispositivo de conmutación asignado, en cada caso dependiendo de una comprobación de si la batería de instalación presenta una suficiente capacidad de alimentación para alimentar a los grupos de consumidores.
Al igual que la conexión de los grupos de consumidores puede realizarse también la desconexión de los grupos de consumidores de manera temporalmente escalonada, controlada a través del dispositivo de control. Así, en el caso de la desconexión, puede desconectarse en primer lugar el tercer grupo de consumidor, a continuación el segundo grupo de consumidor y después el primer grupo de consumidor en cada caso a través del dispositivo de conmutación asignado.
En una configuración, el dispositivo de control está conectado a una conexión de bus para conectar el dispositivo de control a un sistema de bus de datos de un sistema supraordinado. A través de una conexión de bus de este tipo puede configurarse el dispositivo de control por ejemplo mediante un usuario y puede accederse a parámetros del sistema del dispositivo de control.
Adicionalmente o como alternativa, el dispositivo de control puede presentar una interfaz para una comunicación inalámbrica para establecer una conexión de datos inalámbrica, por ejemplo en forma de una interfaz RFID. A través de una interfaz de este tipo puede accederse a datos, obtenidos por ejemplo en el funcionamiento, del dispositivo de control y pueden evaluarse por un usuario.
En otra configuración, el sistema de gestión de batería presenta un dispositivo de conexión del sistema, a través del cual puede conectarse otro dispositivo de control en cascada con el sistema de gestión de batería. Por consiguiente, varios dispositivos de control pueden conectarse conjuntamente en forma de cascada para ampliar el alcance de función del sistema de gestión de batería, por ejemplo para conectar otros dispositivos de conmutación al sistema de gestión de batería.
Conexiones de control individuales del dispositivo de control pueden estar configuradas por ejemplo como interfaces de infrarrojo, de modo que datos de control en forma de señales de infrarrojo pueden recibirse por el dispositivo de control y pueden enviarse también por el dispositivo de control.
La idea en la que se basa la invención debería explicarse con más detalle a continuación mediante los ejemplos de realización representados en las Figuras. Muestran:
la figura 1 una vista de un sistema de gestión de batería para un vehículo sobre carriles;
la figura 2 una vista de un diseño físico de un sistema de gestión de batería de este tipo;
la figura 3 un diagrama de flujo para conectar grupos de consumidores;
la figura 4 un diagrama de flujo para desconectar grupos de consumidores; y
la figura 5 curvas características de doble logaritmo de dispositivos de conmutación, que representan el número de procesos de conmutación dependiendo de la corriente que fluye a este respecto.
La figura 1 muestra un ejemplo de realización de un sistema de gestión de batería 1, que sirve para controlar la conexión y desconexión de grupos de consumidores VG1, VG2, VG3, VGn en una batería de instalación 12, por ejemplo de una batería de plomo-gel de 110 V, y además para controlar una carga de la batería de instalación 12 a través de un aparato de carga de batería 16.
El sistema de gestión de batería 1 presenta un dispositivo de control 11 central que comprende un procesador 112 y sirve para controlar un conmutador de protección de batería 10 para conectar la batería de instalación 12 a una disposición de carril tomacorriente 14 y además para controlar dispositivos de conmutación 171-174 para conectar y desconectar los grupos de consumidores VG1-VGn en la disposición de carril tomacorriente 14. El dispositivo de control 11 está en conexión para ello con un aparato de conmutación previa 13 y además está conectado al aparato de carga de batería 16 (con una potencia nominal de por ejemplo 25 kW) y una disposición de almacenamiento de energía 15 en forma de una disposición de condensador que sirve para proporcionar energía en un estado de descarga profunda de la batería de instalación 12.
El dispositivo de control 11 presenta una detección de corriente de batería 111.1 para detectar una corriente de batería en un circuito de corriente 101 de la batería de instalación 12 a través de un sensor de corriente de batería 100, un dispositivo de detección 111.2 para la detección de la tensión de bloque a través de tomas de tensión de bloque 122 en la batería de instalación 12 y un dispositivo de detección 111.3 para detectar una corriente de instalación a través de un sensor de corriente de instalación 140 en un carril tomacorriente de la disposición de carril tomacorriente 14, que están conectados en cada caso al procesador 112 y suministran valores de medición al procesador 112 para la evaluación. A través del dispositivo de detección 111.2 puede detectarse en este sentido también una temperatura de funcionamiento en la batería de instalación 12, medida a través de un sensor de temperatura de batería 121, y puede alimentarse al procesador 112.
El dispositivo de control 11 presenta adicionalmente un excitador de bus 114 para la conexión con un sistema de bus 2 a través de una conexión de bus 117. A través de una interfaz inalámbrica 118, por ejemplo en forma de una interfaz RFID, puede establecerse una conexión inalámbrica 3 con un aparato de comunicación externo, por ejemplo con el uso de la tecnología de comunicación de campo próximo. A través de un acceso de control 113 puede recibir el dispositivo de control 11 señales de control de un sistema de control 4 externo, por ejemplo de un sistema supraordinado de un vehículo sobre carriles, para provocar dependiendo de tales señales de control por ejemplo una conexión o desconexión de grupos de consumidores VG1-VGn.
El dispositivo de control 11 presenta adicionalmente un componente de conmutación 115 a través del que puede suministrarse una corriente de conmutación al conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174, para conmutar el conmutador de protección de batería 10 o los dispositivos de conmutación 171-174 entre distintos estados de conmutación, en particular para conectar la batería de instalación 12 o uno de los grupos de consumidores VG1-VGn a la disposición de carril tomacorriente 14 o para separarlos de la disposición de carril tomacorriente 14.
El aparato de conmutación previa 13 sirve para generar una corriente de conmutación, que es necesaria para conmutar el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174. El aparato de conmutación previa 13 presenta para ello un ajustador del valor teórico 131 que está configurado para accionar, dependiendo de un valor teórico predeterminado mediante el dispositivo de control 11, una conmutación de activación 132 y una etapa de potencia 133 para generar una corriente de conmutación por medio del valor teórico. El aparato de conmutación previa 13 suministra la corriente de conmutación así generada al dispositivo de control 11, que alimenta la corriente de conmutación a través del componente de conmutación 115, formado por una disposición de conmutador binario, al conmutador de protección de batería 10 o a uno de los dispositivos de conmutación 171-174 y conmuta esta por consiguiente entre distintos estados de conmutación.
El sistema de gestión de batería 1 puede pasar con un único aparato de conmutación previa 13. El aparato de conmutación previa 13 está configurado en este sentido para ajustar, dependiendo de un valor teórico predeterminado a través del dispositivo de control 11, la corriente de conmutación de manera correspondiente a los requerimientos del componente que va a conmutarse, de modo que la corriente de conmutación presente una intensidad de corriente que es necesaria para conmutar el conmutador de protección de batería 10 o bien el dispositivo de conmutación 171-174 que va a conmutarse.
Si debe conmutarse por ejemplo el conmutador de protección de batería 10, predetermina el dispositivo de control 11 para el aparato de conmutación previa 13 un valor teórico de la corriente de conmutación, que se corresponde con la corriente de conmutación necesaria para el conmutador de protección de batería 10 y que depende por ejemplo del número de electroimanes del conmutador de protección de batería 10 para ajustar de manera mecánica el conmutador del conmutador de protección de batería 10. Si por el contrario debe conmutarse uno de los dispositivos de conmutación 171-174, que están asignados a los grupos de consumidores VG1-VGn, se predetermina a través del dispositivo de control 11 un valor teórico y mediante el aparato de conmutación previa 13 por medio del valor teórico se genera una corriente de conmutación que se corresponde a la corriente de conmutación necesaria para el dispositivo de conmutación 171-174.
El conmutador de protección de batería 10 - por ejemplo del tipo SBG-437-02-V0171 y diseñado para una corriente nominal de por ejemplo 240 V - está configurado, en el ejemplo de realización representado, como conmutador bipolar que sirve para conmutar un circuito de corriente positivo 101 y un circuito de corriente negativo 102 de la batería de instalación 12, de modo que a través del conmutador de protección de batería 10 pueden separarse los dos circuitos de corriente 101, 102 asignados a la batería de instalación 12 de la disposición de carril tomacorriente 14. De manera correspondiente, el conmutador de protección de batería 10 presenta por ejemplo dos electroimanes para la conmutación mecánica de los conmutadores mecánicos asignados a los circuitos de corriente 101, 102 individuales, que deben energizarse con una corriente de conmutación correspondientemente grande para conmutar el conmutador de protección de batería 10 entre un estado de conexión y un estado de desconexión.
Los dispositivos de conmutación 171-174 - por ejemplo en cada caso del tipo SBG-437-01-V0173 - están configurados por el contrario en cada caso como conmutador monopolar y conmutan en cada caso en un circuito de corriente 175­ 178, que está asignado al respectivo grupo de consumidor VG1-VGn. De manera correspondiente presentan los dispositivos de conmutación 171-174 por ejemplo en cada caso solo un electroimán y requieren una corriente de conmutación correspondientemente más pequeña.
Tanto el conmutador de protección de batería 10 como también los dispositivos de conmutación 171-174 están configurados preferentemente en cada caso como conmutador biestable con dos estados de conmutación estables. Entre los estados de conmutación estables pueden conmutar en cada caso el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174.
El conmutador de protección de batería 10 y el dispositivo de conmutación 171-174 pueden presentar por ejemplo en cada caso una bobina de establecimiento ("S") para establecer la respectiva disposición de electroimán para la conexión del conmutador de protección de batería 10 o bien del dispositivo de conmutación 171-174 y una bobina de restablecimiento ("R") para restablecer la disposición de electroimán para la desconexión del conmutador de protección de batería 10 o bien del dispositivo de conmutación 171-174.
Los grupos de consumidores VG1-VGn pueden corresponder por ejemplo a consumidores de distintos niveles de confort. Así pueden estar asignados a un primer grupo de consumidor VG1 - diseñado por ejemplo para una corriente de 40 A -consumidores para proporcionar funciones básicas, por ejemplo una iluminación de emergencia y una función de control de puertas o similares. A un segundo grupo de consumidor VG2 - diseñado por ejemplo para una corriente de 80 A - pueden estar asignados, por el contrario, funciones de un nivel de confort medio, por ejemplo una función de calefacción y una iluminación completa de un vehículo sobre carriles. A un tercer grupo de consumidor VG3 -diseñado por ejemplo para una corriente de 100 A - pueden estar asignados, por el contrario, funciones de un nivel de confort más alto, por ejemplo una instalación de aire acondicionado o sistema de inversores para enchufes para portátiles o similares. Otros grupos de consumidores VGn pueden estar presentes, en donde el sistema de gestión de batería 1 puede hacerse funcionar básicamente con muchos dispositivos de conmutación 171-174 de manera discrecional para conectar y desconectar distintos grupos de consumidores VG1-VGn.
El sistema de gestión de batería 1 puede estar integrado en una forma de construcción compacta en una carcasa 19, tal como está representado esto en un diseño físico a modo de ejemplo en la figura 2. En una carcasa 19 común de este tipo pueden estar integrados en particular el conmutador de protección de batería 10, el dispositivo de control 11, el aparato de conmutación previa 13, los dispositivos de conmutación 171-173, la disposición de almacenamiento de energía 15 y el aparato de carga de batería 16, en donde el componente unitario, así creado está dispuesto preferentemente en proximidad directa en particular a la batería de instalación 12.
La conexión al igual que la desconexión de los grupos de consumidores VG1-VGn se realiza preferentemente de manera temporalmente escalonada, controlada a través del dispositivo de control 2.
Un diagrama de flujo para conectar grupos de consumidores VG1-VGn se explicará a continuación por medio de la figura 3.
La conexión de grupos de consumidores VG1-VGn se desencadena por ejemplo mediante un comando de control para la denominada actualización (etapa A1), que se produce por ejemplo por un conductor del vehículo sobre carriles y se alimenta a través del sistema de control 4 externo al dispositivo de control 11.
Si se encuentra un comando de control de este tipo para la actualización, entonces están desconectados en primer lugar los grupos de consumidores VG1-VGn a través de los dispositivos de conmutación 171-174, y también el conmutador de protección de batería 10 están en su estado de desconexión (estado A2).
Para la actualización se comprueba en primer lugar el estado de la batería por ejemplo por medio de la temperatura de batería (etapa A3), y entonces se comprueba si en la batería de instalación 12 existe una capacidad de alimentación suficiente para conectar los grupos de consumidores VG1-VGn (etapa A4). La capacidad de alimentación se evalúa en este sentido por ejemplo por medio de una comparación de la tensión de la batería Ub existente con un valor umbral Umin. Cuando la tensión de la batería Ub se encuentra por encima del valor umbral Umin, se parte de una capacidad de alimentación suficiente de la batería de instalación 12. Se parte además de que existe una capacidad de alimentación suficiente cuando el aparato de carga de batería 16 se conecta y por consiguiente se carga precisamente la batería de instalación 12.
Si se ha determinado en la etapa A4 que la capacidad de alimentación de la batería de instalación 12 es suficiente, entonces el dispositivo de control 11 envía un valor teórico de la corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería 10 al ajustador del valor teórico 131 del aparato de conmutación previa 3. Por medio de una señal DIGOUT 01 se activa el componente de conmutación 115 en forma del conmutador binario del dispositivo de control 11, y se envía un comando de control para proporcionar la corriente de conmutación en la etapa de potencia 133 del aparato de conmutación previa 13 (etapa A5), de modo que la corriente de conmutación se alimenta a través del componente de conmutación 115 al conmutador de protección de batería 10 y de manera correspondiente se conmuta el conmutador de protección de batería 10 desde su estado de desconexión al estado de conexión (etapa A6). Tras un tiempo predeterminado tv se desconecta de nuevo el componente de conmutación 115 y por consiguiente ya no se conduce la corriente de conmutación hacia el conmutador de protección de batería 10. Este tiempo predeterminado tv se ha medido de modo que el conmutador de protección de batería 10 se conmuta de manera eficaz, sin embargo no se carga excesivamente.
Si el conmutador de protección de batería 10 está conectado, entonces se comprueba tras un tiempo predeterminado toonexión de nuevo por medio de la tensión de la batería Ub si se encuentra en la batería de instalación 12 una suficiente capacidad de alimentación (etapa A14). Si este es el caso, se determina en la etapa A7 mediante el dispositivo de control 11 un nuevo valor teórico de la conmutación del dispositivo de conmutación 171 y se envía al aparato de conmutación previa 13. Además, a través de un comando de control DIGOUT 02 se conecta el componente de conmutación 115 en forma del conmutador binario, se envía un comando de conexión a la etapa de potencia 133 del aparato de conmutación previa 13 y por consiguiente la corriente de conmutación ajustada por medio del valor teórico mediante el ajustador del valor teórico 131 se conduce al dispositivo de conmutación 171 (etapa A7), que por consiguiente conmuta y conecta el grupo de consumidor VG1 (etapa A8). Tras un tiempo predeterminado tv se desconecta el comando de control DIGOUT 02 y por consiguiente la corriente de conmutación.
Para la conexión del siguiente grupo de consumidor VG2 se comprueba de nuevo si la tensión de la batería UB se encuentra por encima del valor umbral Umin (etapa A14). Si este es el caso, se determina en la etapa A9 mediante el dispositivo de control 11 el valor teórico de la conmutación del dispositivo de conmutación 172 y se envía al ajustador del valor teórico 131 del aparato de conmutación previa 13, se conecta el componente de conmutación 115 en forma del conmutador binario con un comando de control DIGOUT 03 y se acciona la etapa de potencia 133 del aparato de conmutación previa 13 para generar la corriente de conmutación. El dispositivo de conmutación 172 se conecta por consiguiente y el grupo de consumidor VG2 se conecta (etapa A10). Tras un tiempo predeterminado tv se desconecta de nuevo el comando de control DIGOUT 03 y por consiguiente la corriente de conmutación.
De nuevo se comprueba ahora si la tensión de la batería Ub se encuentra por encima del valor umbral Umin. Si este es el caso, mediante el dispositivo de control 11 se genera un valor teórico de la conmutación del dispositivo de conmutación 173 y se envía al ajustador del valor teórico 131 del aparato de conmutación previa 13, se conecta el componente de conmutación 115 por medio de un comando de control DIGOUT 04 y se acciona la etapa de potencia 133 del aparato de conmutación previa 13 para generar la corriente de conmutación por medio del valor teórico ajustado (etapa A11). El dispositivo de conmutación 173 se conecta por consiguiente y con ello el grupo de consumidor VG3 se conecta (etapa A12), y tras un tiempo predeterminado tv se desconecta de nuevo el componente de conmutación 115 y por consiguiente la corriente de conmutación.
Si están presentes otros grupos de consumidores VGn, pueden conmutarse de igual manera otros dispositivos de conmutación 174 (etapa A13).
Si están conectados los grupos de consumidores VG1-VGn deseados, entonces se comprueba en el funcionamiento normal de manera continua o en intervalos temporales predeterminados si en la batería de instalación 12 existe una capacidad de alimentación suficiente (etapa A14). Si este es el caso, se continúa el funcionamiento normal. Sin embargo si este no es el caso (etapa A15), entonces se inicia dado el caso un procedimiento para el apagado, dentro del cual se desconectan de nuevo los grupos de consumidores VG1-VGn (etapas A16 y A17).
A través del limitador de corriente de conexión puede limitarse la corriente de conmutación en cada caso de modo que no se desencadene una función de seguridad térmica o magnética del conmutador de protección de batería 10 o del respectivo dispositivo de conmutación 171-174 y por consiguiente se conmuten de manera eficaz el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174.
La conexión de los grupos de consumidores VG1-VGn se realiza por consiguiente de manera temporalmente escalonada, accionándose de manera temporalmente sucesiva el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174. La conexión se realiza en este sentido bajo control repetido de la capacidad de alimentación de la batería de instalación 12 por medio de la tensión de la batería Ub existente.
La figura 4 muestra un diagrama de flujo para desconectar grupos de consumidores VG1-VGn de manera temporalmente escalonada.
El apagado, o sea la desconexión de los grupos de consumidores VG1-VGn se desencadena (etapa B1 en la figura 4) por ejemplo mediante un comando de apagado, o sea por ejemplo un comando de control correspondiente de un conductor, que se alimenta al dispositivo de control 11 a través del sistema de control 4 externo, o con la detección de una capacidad de alimentación insuficiente en la batería de instalación 12 (etapa A14 en la figura 3). Si existe un criterio para el apagado, entonces se desconectan los grupos de consumidores VG1-VGn comenzando con el nivel de confort más alto (grupo de consumidor VGn) sucesivamente (con excepción de una desconexión de emergencia, en la que se realiza la desconexión al mismo tiempo (etapa B25)).
En la etapa B2 se comprueba en primer lugar si la batería de instalación 12 ha alcanzado una profundidad de descarga determinada. Esto se realiza en particular por medio de una comprobación de si la tensión de la batería Ub ha caído por debajo de un valor umbral predeterminado Umin.
Si la batería de instalación 12 presenta una carga suficiente y por consiguiente una capacidad de alimentación suficiente, entonces puede realizarse generalmente el apagado de manera temporalmente escalonada con intervalos temporales predeterminados, establecidos por medio de los grupos de consumidores VG1-VGn tv1-tv3 y tvBSS. Por ejemplo puede ser necesario que se alimente básicamente un grupo de consumidor VG1-VGn en caso de existir un comando de apagado aún durante algún tiempo, por ejemplo algunos minutos o también algunas horas, para realizar determinadas funciones.
Si se determina en la etapa B2 que la batería de instalación 12 no presenta capacidad de carga suficiente, ya que la tensión de la batería Ub es inferior al valor umbral Umin, entonces puede realizarse una desconexión de los grupos de consumidores VG1-VGn también sin retardo temporal, o sea sin mantenimiento de los tiempos predeterminados tv1-tv3 y tvBSS.
En las etapas B3 a B7 se desconecta el grupo de consumidor VG3 (suponiendo que no estén presentes otros grupos de consumidores VGn), generándose tras un tiempo predeterminado, asignado tv1 (etapa B3, siempre que en la etapa B2 no se haya determinado que la tensión de la batería Ub sea inferior al valor umbral Umin) una corriente de conmutación para el restablecimiento del dispositivo de conmutación 173 a través del aparato de conmutación previa 13 (etapa B4) y alimentándose a través del componente de conmutación 115 al dispositivo de conmutación 173 (etapa S5), de modo que el grupo de consumidor VG3 se desconecta (etapa B6). La desconexión correcta se comprueba en la etapa B7.
Esto se repite en las etapas B10 a B14 para el grupo de consumidor VG2, en las etapas B15 a B19 para el grupo de consumidor VG1 y en las etapas B20 a B24 para el conmutador de protección de batería 10, en donde el respectivo tiempo de retardo tv2, tv3 , tvBSS comienza en cada caso con la comprobación de la desconexión del grupo de consumidor previo y se mantiene siempre que en la comprobación repetida en la etapa B2 no se determine que la tensión de la batería Ub sea inferior al valor umbral Umin.
Los tiempos predeterminados tv1-tv3 y tvBSS pueden ser iguales o también distintos. Del mismo modo, el valor umbral Umin para la comprobación de la profundidad de descarga para los grupos de consumidores VG1-VGn individuales puede ser igual o también distinto.
Tras el procedimiento de apagado se han desconectado todos los dispositivos de conmutación 171-174 y también el conmutador de protección de batería 10, de modo que los grupos de consumidores VG1-VGn ya no están en contacto con la batería de instalación 12.
Antes de la desconexión del último nivel de confort (grupo de consumidor VG1) o también ya anteriormente puede generarse por ejemplo una advertencia en forma de un mensaje en el sistema de control 4 supraordinado para el conductor (etapa B9).
En el caso de una desconexión de emergencia (etapa B25) puede realizarse la desconexión también al mismo tiempo, de modo que todos los dispositivos de conmutación 171-174 y el conmutador de protección de batería 10 se conmuten al mismo tiempo para separar los grupos de consumidores VG1-VGn de la batería de instalación 12.
En particular en el caso de una desconexión de emergencia es posible también una desconexión rápida de manera temporalmente escalonada, sin embargo sin el uso de los intervalos temporales predeterminados tv1-tv3 y tvBSS.
También tras la desconexión del conmutador de protección de batería 10 pueden producirse estados de descarga profunda de la batería de instalación 12 o diferencias de tensión entre grupos de construcción (por ejemplo, en caso de tiempos de inactividad más largos del vehículo sobre carriles sin alimentación). El dispositivo de control 11 del sistema de gestión de batería 1 está configurado para la detección de tales estados e inicia con la detección de un estado de descarga profunda una carga de compensación a través del aparato de carga de batería 16.
Una carga de compensación de este tipo requiere durante un espacio de tiempo definido, por ejemplo un espacio de tiempo entre 44 horas y 48 horas, una corriente de carga con intensidad de corriente comparativamente baja, designada como I20, que se corresponde con una vigésima parte de la corriente nominal, para conseguir una carga eficaz de la batería de instalación 12. En este sentido puede prescindirse de un convertidor separado para alimentar la carga de partida en la batería de instalación 12.
El aparato de carga de batería 16 presenta un acceso de control 161, que permite un ajuste del valor teórico de la tensión de partida del aparato de carga de batería 16 a través de una salida analógica 116 del dispositivo de control 11. El aparato de carga de batería 16 se controla en este sentido a través del componente de conmutación 115 en forma del conmutador binario del dispositivo de control 11, que está conectado a un acceso digital 162 del aparato de carga de batería 16, enviando el componente de conmutación 115 un comando de conmutación para la carga de compensación al aparato de carga de batería 16.
Con el control del proceso de carga de compensación pueden considerarse en este sentido también valores de medición del sensor de corriente de batería 100, del sensor de temperatura de batería 121 y de la tensión de bloque obtenida a través de las tomas de tensión de bloque 122. El proceso de carga de compensación se controla a través del dispositivo de control 11 que regula el aparato de carga de batería 16 durante el proceso de carga de compensación y a través del sistema de bus de datos 2 deja también un mensaje por ejemplo a un conductor, por medio del cual se le pide al conductor por ejemplo que conecte el vehículo sobre carriles a un suministro eléctrico externo para la alimentación de energía externa.
Tras realizar un proceso de carga de compensación, se realiza la regulación de la tensión de la instalación generalmente a través del aparato de carga de batería 16.
La disposición de almacenamiento de energía 15 adicional en forma de un componente de condensador, por ejemplo con el uso de los denominados supercondensadores, sirve para realizar un régimen de inicio de emergencia en el caso de una descarga profunda extrema de la batería de instalación 12, que dado el caso conduce también a un daño en la batería de instalación 12. De manera controlada a través del dispositivo de control 11 se conecta para ello la disposición de almacenamiento de energía 15 a la disposición de carril tomacorriente 14 y por consiguiente se alimenta energía al sistema desde los condensadores 155 de la disposición de almacenamiento de energía 15. La alimentación se realiza a través un tiristor de realimentación 153 y un limitador de corriente de conexión 152 y se controla a través de una unidad de control 151. El dispositivo de control 11 está en conexión en particular con un conmutador 154 de la disposición de almacenamiento de energía 15, que se conmuta para conectar la disposición de almacenamiento de energía 15 a la disposición de carril tomacorriente 14.
La disposición de almacenamiento de energía 15 puede facilitar por ejemplo tanta energía que puedan realizarse ciertas funciones de emergencia. Por ejemplo, con la disposición de almacenamiento de energía 5 puede ponerse en marcha el aparato de carga de batería 16 para iniciar un proceso de carga de compensación para la batería de instalación 12.
La conexión de bus 117 para conectar al sistema de bus 2 de un plano de referencia del vehículo puede ser compatible por ejemplo con un sistema iCOM. A través de la conexión de bus 117 pueden recibirse comandos de control. Además se posibilita una configuración del sistema.
Los datos de diagnóstico pueden leerse por ejemplo a través de la interfaz inalámbrica 118, configurada por ejemplo mediante una interfaz RFID. A través de la interfaz de datos 118 puede conectarse un usuario por ejemplo por medio de un aparato de comunicación en forma de un teléfono inteligente o similares con el dispositivo de control 11 para leer datos de diagnóstico para el mantenimiento o para la reparación.
El dispositivo de control 11 puede detectar y evaluar valores de medición de distintos sensores, en particular del sensor de corriente de batería 100, del sensor de corriente de instalación 140, del sensor de temperatura de batería 121 y de la tensión de bloque, para crear pronósticos de vida útil de la batería de instalación 12 y otros componentes, en particular del conmutador de protección de batería 10 y de los dispositivos de conmutación 171-174. Además puede detectar el dispositivo de control 11 datos de funcionamiento del aparato de carga de batería 16, lo que permite un cálculo de MTBF (Mean Time Between Failures) para verificar en el denominado RPA (Reliability Prediction Analysis) los valores predichos.
Para el pronóstico de vida útil de la batería puede estar configurado el dispositivo de control 11 para el cálculo de una duración de utilidad Be = f(UBB, ^ Elyt, nzyc, En, fl, ta). En este sentido es Ubb la tensión de bloque, OElyt la temperatura del electrolito, nzyc el número de ciclos, En el rendimiento de energía nominal (valor específico de batería), f l el múltiplo de la corriente de descarga y ta la temperatura de funcionamiento promedio. La ciclización con una batería de compensación en instalaciones de funcionamiento auxiliares de la construcción del vehículo sobre carriles es diferente con respecto a la profundidad de descarga, de modo que la proporción de envejecimiento de los ciclos individuales debe evaluarse correspondientemente con el cálculo de la vida útil. El cálculo se realiza en intervalos de tiempo determinados, en donde se interpola linealmente entre campos de curvas características. Con cada nuevo cálculo se mejora la exactitud del pronóstico de vida útil de manera (cuasi) iterativa mediante la evaluación de ciclo que se suma. Al conseguir un límite de vida útil predeterminado se envía un mensaje de fallo al sistema director del vehículo a través del sistema de bus 2. Ya antes de alcanzar el límite de vida útil se envía una señal de advertencia, de modo que puedan iniciarse correspondientes medidas para la prevención.
A partir de la medición de la corriente de batería mediante el sensor de corriente de batería 100 y de la corriente de instalación mediante el sensor de corriente de instalación 140 puede crearse también un pronóstico de vida útil para el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174. Para ello se evalúa mediante el dispositivo de control 11 en el momento de conmutación la respectiva corriente de conmutación del conmutador de protección de batería 10 o bien de los respectivos dispositivos de conmutación 171-174, lo que permite un pronóstico de vida útil para cada uno de estos conmutadores.
La figura 5 muestra una curva característica típica para el conmutador de protección de batería 10 y el dispositivo de conmutación 171-174. Está representado de manera doblemente logarítmica la vida útil, indicada mediante el número de ciclos de conmutación, dependiendo de la corriente de conmutación. Tales curvas características pueden determinarse por ejemplo mediante series de medición en ensayos de duración.
Con respecto a la posición de un pronóstico de vida útil para el conmutador de protección de batería 10 y los dispositivos de conmutación 171-174 se detectan valores para la corriente de conmutación con la conmutación mediante el dispositivo de control 11, de modo que mediante la enumeración de ciclos de conmutación (nZyc) con una correspondiente evaluación de corriente de conmutación puede calcularse un pronóstico de vida útil. Por ejemplo, por medio de la corriente de conmutación detectada puede determinarse una corriente de conmutación promedio a través del número total de los ciclos de conmutación, para determinar entonces por medio de la curva característica una vida útil estimada, o sea un posible número en total de ciclos de conmutación. También en este caso se genera un mensaje de fallo al alcanzar el final de la vida útil y se envía al sistema director del vehículo a través del sistema de bus 2.
Puede accederse a los datos de pronóstico de vida útil actuales en cualquier momento a través de la interfaz (RFID) 118 y están a disposición por consiguiente para el operario para su planificación de reparación preventiva.
La invención no está limitada a los ejemplos de realización anteriores, sino que se define mediante el alcance de las reivindicaciones.
Mediante la instalación próxima a la batería del sistema de gestión de batería con función de conmutación y de protección es posible una disposición que permite, de manera segura frente a perturbaciones, un modo de funcionamiento cuidadoso y monitorizado de la batería de instalación así como una distribución eficaz de la energía a los grupos de consumidores con protección simultánea de los grupos de consumidores principales con gasto mínimo de cableado en un espacio reducido.
Lista de referencias
1 Sistema de gestión de batería
10 Conmutador de protección de batería
100 Sensor de corriente de batería
101, 102 Circuito de corriente
11 Dispositivo de control
111.1 Detección de corriente de batería
111.2 Dispositivo de detección para la tensión
de bloque
111.3 Dispositivo de detección de la corriente de
instalación
112 Procesador
113 Acceso de control
114 Excitador de bus
115 Componente de conmutación
116 Salida analógica (0 ... 10 VDC)
117 Conexión de bus
118 Interfaz RFID
119 Dispositivo de conexión de sistema
12 Batería de instalación
121 Sensor de temperatura de batería
122 Tomas de tensión de bloque
13 Aparato de conmutación previa
131 Ajustador del valor teórico
132 Conmutación de activación
133 Etapa de potencia
14 Disposición de carril tomacorriente
140 Sensor de corriente
15 Disposición de almacenamiento de
energía (componente de condensador)
151 Unidad de control
152 Limitador de corriente de conexión
153 Tiristor de realimentación
154 Conmutador
155 Condensadores
16 Aparato de carga de batería
161 Acceso de control
162 Acceso digital
163 Alimentación
17 Disposición de conmutación
171-174 Dispositivo de conmutación
175-178 Circuito de corriente
19 Carcasa
2 Sistema de bus de datos
3 Conexión de datos inalámbrica
4 Sistema de control externo
A1-A17 Etapas
B1-B25 Etapas
Ub Tensión de la batería
VG1-VGn Grupo de consumidor

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de gestión de batería (1), en particular para un vehículo sobre carriles, con una batería de instalación (12), una disposición de carril tomacorriente (14), un conmutador de protección de batería (10) para conectar de manera conmutable la batería de instalación (12) a la disposición de carril tomacorriente (14) y al menos un dispositivo de conmutación (171-174) para conectar de manera conmutable al menos un grupo de consumidor (VG1-VGn) a la disposición de carril tomacorriente (14),
caracterizado por
un dispositivo de control (11) para controlar procesos de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) y un único aparato de conmutación previa (13) para generar una corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174), en donde el dispositivo de control (11) está configurado para proporcionar al aparato de conmutación previa (13) un valor teórico de la corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) o el al menos un dispositivo de conmutación (171-174), en donde el dispositivo de control (11) está configurado para transferir un primer valor teórico de una corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) y un segundo valor teórico de una corriente de conmutación para conmutar el al menos un dispositivo de conmutación (171-174),
en donde el aparato de conmutación previa (13) presenta un ajustador del valor teórico (131) para ajustar la corriente de conmutación dependiendo del valor teórico recibido por el dispositivo de control (11) y
en donde el dispositivo de control (11) está configurado para accionar varios elementos de conmutación (115), que realizan la distribución de las corrientes de conmutación proporcionadas por el aparato de conmutación previa (13), adaptadas al respectivo dispositivo de conmutación (171-174) en los dispositivos de conmutación (171-174) que van a accionarse en cada caso.
2. Sistema de gestión de batería (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que el aparato de conmutación previa (13) presenta una etapa de potencia (133) para generar la corriente de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174).
3. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de control (11), el aparato de conmutación previa (13), el conmutador de protección de batería (10) y el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) están dispuestos en una carcasa (19) común.
4. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo de control (11) está configurado para desencadenar un proceso de conmutación para conmutar el conmutador de protección de batería (10) o el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) dependiendo de un estado de carga de la batería de instalación (12).
5. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un sensor de corriente de batería (100) para medir un flujo de corriente entre la batería de instalación (12) y la disposición de carril tomacorriente (14).
6. Sistema de gestión de batería (1) según la reivindicación 5, caracterizado por que el dispositivo de control (11) está configurado para evaluar procesos de conmutación del conmutador de protección de batería (10) y/o del al menos un dispositivo de conmutación (171-174) por medio de valores de medición asignados a los procesos de conmutación del sensor de corriente de batería (100) para determinar un valor característico indicativo de la vida útil del conmutador de protección de batería (10) y/o del al menos un dispositivo de conmutación (171-174).
7. Sistema de gestión de batería (1) según la reivindicación 6, caracterizado por que el dispositivo de control (11) está configurado para evaluar adicionalmente a los valores de medición del sensor de corriente de batería (100) valores de medición de un sensor de corriente de instalación (140), que está dispuesto para medir un flujo de corriente en la disposición de carril tomacorriente (14), para determinar el valor característico indicativo de la vida útil del conmutador de protección de batería (10) y/o del al menos un dispositivo de conmutación (171-174).
8. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el conmutador de protección de batería (10) está configurado de manera bipolar para conmutar dos circuitos de corriente (101, 102), a través de los cuales puede conectarse la batería de instalación (12) a la disposición de carril tomacorriente (14).
9. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el conmutador de protección de batería (10) presenta dos estados de conmutación estables.
10. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) está configurado de manera monopolar para conmutar un circuito de corriente (175-178), a través del cual puede conectarse el al menos un grupo de consumidor (VG1-VGn) con la disposición de carril tomacorriente (14).
11. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) presenta dos estados de conmutación estables.
12. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el conmutador de protección de batería (10) y/o el al menos un dispositivo de conmutación (171-174) presentan una función de seguridad térmica y/o magnética.
13. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un aparato de carga de batería (16) conectado a la disposición de carril tomacorriente (14) para cargar la batería de instalación (12), en donde el dispositivo de control (11) está configurado para controlar el aparato de carga de batería (16) dependiendo de un estado de carga de la batería de instalación (12).
14. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una disposición de almacenamiento de energía (15) adicional, conectada a la disposición de carril tomacorriente (14) para proporcionar energía eléctrica en un estado de descarga profunda de la batería de instalación (12), en donde el dispositivo de control (11) está configurado para controlar la disposición de almacenamiento de energía (15).
15. Sistema de gestión de batería (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el sistema de gestión de batería (1) presenta una pluralidad de dispositivos de conmutación (171-174) para conectar de manera conmutable una pluralidad de grupos de consumidores (VG1-VGn) a la disposición de carril tomacorriente (14).
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