ES2941800A1 - INTELLIGENT POWER DISTRIBUTION SYSTEM FOR ELECTRIC VEHICLES AND PROCEDURE FOR THE IMPLEMENTATION OF THE SAME (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2941800A1
ES2941800A1 ES202330034A ES202330034A ES2941800A1 ES 2941800 A1 ES2941800 A1 ES 2941800A1 ES 202330034 A ES202330034 A ES 202330034A ES 202330034 A ES202330034 A ES 202330034A ES 2941800 A1 ES2941800 A1 ES 2941800A1
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battery
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Avis Jesús Salazar
Avis Jorge Salazar
Bello Sara Blazquez
Cadaval Enrique Romero
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Eevam Tech S L
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Eevam Tech S L
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    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
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Abstract

Intelligent power distribution system for electric vehicles and procedure for its implementation. Unlike other power management systems, the system of the invention, specially designed to be applied in light electric vehicles, allows simultaneous downloading of the modules and does not differentiate between main and auxiliary modules, thus optimizing vehicle performance and the useful life of the batteries. To do this, it is made up of a series of connection interfaces (4-4'...4n) for the battery modules (2.2'...2n), a connection interface with the power bus (3) and vehicle communications (3'), a signal acquisition and data reading subsystem (7), a power adaptation subsystem (5) and a power distribution control subsystem (6). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Sistema inteligente de distribución de potencia para vehículos eléctricos y procedimiento para la puesta en práctica del mismoIntelligent power distribution system for electric vehicles and procedure for its implementation

SECTOR DE LA TÉCNICATECHNIQUE SECTOR

La presente invención se refiere a un sistema inteligente de distribución de potencia, especialmente concebido para vehículos eléctricos ligeros con baterías de arquitectura modular.The present invention refers to an intelligent power distribution system, specially designed for light electric vehicles with batteries of modular architecture.

El objeto de la invención es proporcionar un sistema inteligente de distribución de potencia que controle y optimice el flujo de potencia entre los módulos de baterías y el tren de potencia del vehículo, si bien permite la operación del vehículo con un único módulo de batería en caso de que el resto de módulos no se encuentren en el vehículo o se detecten motivos técnicos o defectos por los que no se deba operar.The object of the invention is to provide an intelligent power distribution system that controls and optimizes the flow of power between the battery modules and the vehicle's power train, while allowing the operation of the vehicle with a single battery module in case that the rest of the modules are not in the vehicle or that technical reasons or defects are detected for which it should not be operated.

La invención dispone de un sistema de sensorización y un bus de comunicaciones para obtener datos en tiempo real de señales del vehículo como, por ejemplo, la corriente de descarga y estado de carga (State-Of-Charge (SoC)) de cada módulo de batería y el valor de voltaje en entradas y salidas del sistema. Los datos se procesan en un algoritmo que controla la distribución de potencia inteligente, basándose en diferentes criterios. Estos criterios se definen de acuerdo al objetivo de la distribución de potencia. Por ejemplo, algunos de los objetivos del algoritmo que pueden establecerse son, entre otros:The invention has a sensor system and a communication bus to obtain real-time data from vehicle signals, such as the discharge current and state of charge (State-Of-Charge (SoC)) of each module. battery and the value of voltage in inputs and outputs of the system. The data is processed in an algorithm that controls intelligent power distribution, based on different criteria. These criteria are defined according to the objective of power distribution. For example, some of the algorithm goals that can be set include, but are not limited to:

• Maximizar la autonomía del vehículo.• Maximize the autonomy of the vehicle.

• Optimizar la vida útil de las baterías previniendo faltas de balance entre módulos.• Optimize the useful life of the batteries preventing imbalances between modules.

• Garantizar la seguridad evitando corrientes de descarga elevadas en las celdas.• Guarantee safety by avoiding high discharge currents in the cells.

• Mejorar el rendimiento del vehículo limitando las reducciones de potencia. • Improve vehicle performance by limiting power reductions.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION

La mayoría de las motocicletas con baterías compuestas por módulos extraíbles realizan una descarga secuencial de los módulos, es decir, primero se descarga un módulo y después el otro.Most motorcycles with batteries made up of removable modules perform a sequential discharge of the modules, that is, first one module is discharged and then the other.

Dividir el pack en múltiples módulos conectados en paralelo requiere supervisión independiente por parte de un BMS (Battery Management System), duplicando la electrónica requerida y el coste, volumen, peso y consumo asociados. Además, cuando funcionan juntos, pequeñas diferencias en las resistencias internas, las temperaturas operativas, etc. pueden conducir a desequilibrios causados por una descarga desigual que, eventualmente, podría ser perjudicial para el sistema. Esta es la razón por la que se debe implementar una capa de control adicional que incluya las comunicaciones con todos los módulos y la gestión de una carga y descarga equilibradas de los módulos, incrementando la complejidad de la electrónica.Dividing the pack into multiple modules connected in parallel requires independent supervision by a BMS (Battery Management System), doubling the electronics required and the associated cost, volume, weight and consumption. Also, when they work together, small differences in internal resistances, operating temperatures, etc. they can lead to imbalances caused by uneven discharge that could eventually be detrimental to the system. This is the reason why an additional control layer must be implemented that includes the communications with all the modules and the management of a balanced charge and discharge of the modules, increasing the complexity of the electronics.

Actualmente, se lleva a cabo una variante menos compleja de esta arquitectura, en la que los módulos no están conectados en paralelo y se descargan secuencialmente. Esta forma conduce a una electrónica más simple, ya que no se necesita una operación equilibrada simultánea, pero perjudican la autonomía, eficiencia, especificaciones y fiabilidad del vehículo. En general, los fabricantes incluyen un conmutador para que el usuario conecte y desconecte de manera manual los módulos de batería para su uso. Además, algunos fabricantes también recurren a limitar la potencia disponible para el usuario y así tratar de minimizar la degradación de la batería al evitar altas corrientes de descarga. De esta forma, prolongan algo más la vida de la batería a costa de disminuir las prestaciones del vehículo.Currently, a less complex variant of this architecture is implemented, in which the modules are not connected in parallel and are downloaded sequentially. This shape leads to simpler electronics, since simultaneous balanced operation is not needed, but they impair the vehicle's range, efficiency, specifications, and reliability. Manufacturers generally include a switch for the user to manually connect and disconnect battery modules for use. In addition, some manufacturers also resort to limiting the power available to the user and thus try to minimize battery degradation by avoiding high discharge currents. In this way, they prolong the life of the battery a little more at the cost of reducing the performance of the vehicle.

A modo de ejemplo de estado actual de la técnica, se pueden citar los siguientes registros: As an example of the current state of the art, the following records can be cited:

Conmutador dinámico automático de Bosch, patente No EP1137150A2. Enfocado a bicicletas eléctricas. El sistema cambia de manera inteligente entre los módulos, tanto en la carga como en la descarga, pero no se utilizan de manera simultánea, es decir, no se realiza la descarga en paralelo de los módulos. Tampoco se produce una transformación de potencia en el proceso.Bosch Automatic Dynamic Switch, Patent No EP1137150A2. Focused on electric bicycles. The system intelligently switches between the modules, both in upload and download, but they are not used simultaneously, that is, there is no parallel download of the modules. There is also no power transformation in the process.

Sistema de distribución de potencia de Gogoro, patente No US9381826B2. Basado en el uso de un módulo de batería principal y otro auxiliar, cuando se requieren picos de potencia, de manera que la batería principal presenta una alta capacidad de carga y corriente de descarga baja, mientras que la batería de refuerzo proporciona alta corriente con una tasa de descarga mayor que la principal, y diferente química. Este sistema por tanto está destinado a una configuración muy específica y limitativa, a lo que hay que añadir el hecho de que está integrado en su tren de potencia, de modo que no constituye un producto independiente.Gogoro Power Distribution System, Patent No US9381826B2. Based on the use of a main battery module and an auxiliary one, when power peaks are required, so that the main battery has a high charge capacity and low discharge current, while the booster battery provides high current with a discharge rate greater than the main one, and different chemistry. This system is therefore intended for a very specific and limiting configuration, to which must be added the fact that it is integrated into its power train, so it does not constitute an independent product.

Método para el uso conjunto de módulos de baterías de diferente química de Tesla, patente No US8543270B2. Se limita a un procedimiento, de manera que en la patente no se describe ningún producto asociado, centrándose en un sistema cuyo objetivo es obtener beneficios de módulos de baterías con diferente química.Method for the joint use of battery modules of different chemistry from Tesla, patent No US8543270B2. It is limited to one procedure, so no associated product is described in the patent, focusing on a system whose objective is to obtain benefits from battery modules with different chemistry.

Extensor de autonomía de Tesla, patente No US8471521B2. Uso de un módulo de batería adicional, de diferente química, para la carga del módulo principal y para el uso conjunto en determinadas ocasiones. Como su propio título indica, su objetivo no es definir un sistema inteligente de distribución de potencia, sino simplemente de aumentar el rango del vehículo mediante el uso de un módulo de batería adicional.Tesla range extender, patent No US8471521B2. Use of an additional battery module, of different chemistry, for charging the main module and for joint use on certain occasions. As its own title indicates, its goal is not to define an intelligent power distribution system, but simply to increase the range of the vehicle through the use of an additional battery module.

Sistema de almacenamiento de energía de Zero Motorcycles, patente No US9065280B2. Sistema integrado en uno de los módulos de batería que controla los BMS (Battery Management System) de cada batería, permitiendo la carga y descarga de ambos módulos de batería. Este sistema está integrado en el módulo de batería, no es un producto independiente, de manera que constituye un sistema de almacenamiento de energía, no un gestor de potencia.Zero Motorcycles energy storage system, patent No US9065280B2. Integrated system in one of the battery modules that controls the BMS (Battery Management System) of each battery, allowing charging and discharging of both battery modules. This system is integrated into the battery module, it is not an independent product, so it constitutes an energy storage system, not a power manager.

• Sistema de gestión, diagnosis e interconexión de varias baterías de propulsión de un vehículo eléctrico de Torrot, patente No ES2640749A1. Sistema compuesto por baterías, gestor de potencia, ECU, controlador y motor. En este sistema, el BMS permite o no la descarga y carga de la batería a través de interruptores según lo comunique la ECU y el gestor de potencia. En este sistema no se controla la cantidad de energía que se aporta a cada batería.• Torrot electric vehicle management, diagnosis and interconnection system for several propulsion batteries, patent No ES2640749A1. System composed of batteries, power manager, ECU, controller and motor. In this system, the BMS allows or does not allow the discharge and charge of the battery through switches as communicated by the ECU and the power manager. In this system, the amount of energy supplied to each battery is not controlled.

• Sistema de alimentación de potencia, patente NO WO2022076146A1. Utiliza una arquitectura híbrida para utilizar baterías recargables de diferente química en vehículo eléctrico.• Power supply system, patent NO WO2022076146A1. It uses a hybrid architecture to use rechargeable batteries of different chemistry in electric vehicles.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓNEXPLANATION OF THE INVENTION

A diferencia de lo que ocurre en estos documentos, el sistema de la invención realiza la descarga en paralelo de manera simultánea de los módulos y no diferencia entre módulo auxiliar y principal. Además, en el sistema de la invención la distribución de potencia entre los módulos no responde a la química de la batería únicamente, sino que se realiza una distribución inteligente basada en los criterios establecidos previamente, controlando la corriente de descarga de cada módulo, y manteniendo la independencia respecto al BMS de cada módulo y al controlador del vehículo. Gracias a la disminución de las corrientes de descargas, no hay necesidad de limitar la potencia del vehículo, por lo que se hace frente simultáneamente a los dos inconvenientes que presenta la tecnología actual. Además, el vehículo objetivo es el LEV (del inglés vehículo eléctrico ligero), que puede incluir baterías extraíbles.Unlike what happens in these documents, the system of the invention performs the parallel download of the modules simultaneously and does not differentiate between the main and auxiliary modules. In addition, in the system of the invention, the power distribution between the modules does not respond to the chemistry of the battery only, but an intelligent distribution is made based on previously established criteria, controlling the discharge current of each module, and maintaining the independence from the BMS of each module and from the vehicle controller. Thanks to the reduction of discharge currents, there is no need to limit the power of the vehicle, thus simultaneously facing the two drawbacks presented by current technology. In addition, the target vehicle is the LEV (Light Electric Vehicle), which can include removable batteries.

Se estima que el sistema de la invención conseguiría prolongar los ciclos de vida de la batería hasta un 30%. Además, a medida que la batería se degrada, cae proporcionalmente la potencia que la batería es capaz de entregar, por lo que este aumento también se vería reflejado.It is estimated that the system of the invention would prolong the life cycles of the battery up to 30%. In addition, as the battery degrades, the power that the battery is capable of delivering drops proportionally, so this increase would also be reflected.

Un parámetro utilizado para la caracterización de la vida de la batería es el "cycle life”, que es el número de ciclos de carga-descarga que puede realizar hasta que pierde cierta parte de su capacidad inicial, habitualmente, se define tal que su capacidad degradada es el 80% de su capacidad original. Existen varios mecanismos que provocan variación en la vida de las baterías, y el sistema de la invención ayuda con dos de ellos:A parameter used to characterize the life of the battery is the "cycle life", which is the number of charge-discharge cycles that it can perform until it loses a certain part of its initial capacity, usually defined such that its capacity degraded is 80% of its original capacity.There are several mechanisms that cause variation in battery life, and the system of the invention helps with two of them:

1) Intensidad de descarga de la batería. Cuanto mayor es la intensidad a la que se están descargando las baterías, más se degradan y menor es su cycle life. Con el sistema de la invención, al permitir la descarga paralela de varios módulos, la potencia se reparte entre ellos y por tanto se provoca menos estrés y corrientes de descarga menores en las baterías. Usando como referencia el C-rate (unidad para medir la intensidad de descarga de las baterías), se ha analizado mediante simulación y con datos experimentales que se puede lograr una disminución del 35/40% en el C-rate respecto a las soluciones alternativas. Para el tipo de vehículo que incluiría el sistema de la invención, esto supone un aumento de alrededor del 20% en el cycle life de las baterías.1) Battery discharge current. The greater the intensity at which the batteries are being discharged, the more they degrade and the shorter their cycle life. With the system of the invention, by allowing the parallel discharge of several modules, the power is distributed among them and therefore less stress and lower discharge currents are caused in the batteries. Using the C-rate (unit for measuring battery discharge intensity) as a reference, it has been analyzed by simulation and with experimental data that a 35/40% decrease in C-rate can be achieved compared to alternative solutions. . For the type of vehicle that would include the system of the invention, this represents an increase of around 20% in the cycle life of the batteries.

2) Profundidad de descarga de la batería. Cuanto más profunda es la descarga en cada ciclo mayor es la degradación de las baterías, por ejemplo, la descarga más profunda sería tener una batería cargada al 100% y descargarla hasta el 0%. Soluciones alternativas al sistema de la invención favorecen la descarga profunda ya que, o fuerzan al usuario a seleccionar qué batería utilizar, que tiende a utilizar una al completo antes de pasar a la otra, o necesitan forzar la descarga profunda automáticamente para mantener las baterías equilibradas. El sistema de la invención evita automáticamente descargas profundas si no son estrictamente necesarias para el usuario. Este factor es más difícil de cuantificar porque depende del usuario y las baterías utilizadas, pero en primera aproximación se estima una mejoría del 10-15% en el cycle life por este efecto.2) Depth of discharge of the battery. The deeper the discharge in each cycle, the greater the degradation of the batteries, for example, the deeper discharge would be to have a battery charged to 100% and discharge it to 0%. Alternative solutions to the system of the invention favor deep discharge since either they force the user to select which battery to use, which tends to use one completely before switching to the other, or they need to force deep discharge automatically to keep the batteries balanced . The system of the invention automatically avoids deep discharges if they are not strictly necessary for the user. This factor is more difficult to quantify because it depends on the user and the batteries used, but in a first approximation an improvement of 10-15% in cycle life is estimated for this effect.

A mayor abundamiento, el sistema de la invención mejora las prestaciones del vehículo respecto a potencia también, ya que el fabricante no tiene que limitar la potencia del vehículo para prolongar la vida útil de la batería. Respecto al usuario, el sistema mejora la experiencia de conducción e incrementa la seguridad, ya que el usuario no tiene que manipular tanto las baterías, solamente en el momento de la extracción para la carga.Furthermore, the system of the invention improves the performance of the vehicle with respect to power as well, since the manufacturer does not have to limit the power of the vehicle to prolong the useful life of the battery. Regarding the user, the system improves the driving experience and increases safety, since the user does not have to handle the batteries as much, only when they are removed for charging.

Para ello, el sistema de la invención se constituye a partir de un equipo electrónico al que se conectan los diferentes módulos de baterías, sistema que se conecta igualmente al bus de potencia del vehículo, también denominado bus DC. El sistema también ofrece la posibilidad de conectarse al bus de comunicación del vehículo y/o a los buses de comunicación de las baterías.To this end, the system of the invention is made up of electronic equipment to which the different battery modules are connected, a system that is also connected to the vehicle's power bus, also called DC bus. The system also offers the possibility of connecting to the communication bus of the vehicle and/or to the communication buses of the batteries.

De forma más concreta, el equipo electrónico se compone de los siguientes subsistemas:More specifically, the electronic equipment is made up of the following subsystems:

• Subsistema de adaptación de potencia.• Power adaptation subsystem.

o Recibe la energía correspondiente de cada módulo de batería y proporciona la potencia necesaria al vehículo para su operación de acuerdo a la distribución óptima de potencia para cada uno de ellos. o Recibe la energía correspondiente del cargador y proporciona la potencia necesaria a cada módulo de batería para una carga óptima. o Permite la operación simultánea de los módulos de batería. o Controla la energía aportada por cada módulo de batería de acuerdo a la distribución óptima de potencia calculada para cada módulo de batería. o Receives the corresponding energy from each battery module and provides the necessary power to the vehicle for its operation according to the optimal power distribution for each of them. o Receives the corresponding energy from the charger and provides the necessary power to each battery module for optimal charging. o Allows simultaneous operation of battery modules. o Controls the energy provided by each battery module according to the optimal power distribution calculated for each battery module.

o Elimina la dependencia entre el voltaje de cada módulo de batería y el voltaje del bus DC del vehículo, manteniendo en el bus DC un valor de voltaje óptimo para la operación del vehículo.o Eliminates the dependency between the voltage of each battery module and the DC bus voltage of the vehicle, maintaining an optimal voltage value on the DC bus for vehicle operation.

o Permite la conexión de módulos de batería de diferentes características, por ejemplo, diferente capacidad, voltaje, estado de carga, química, edad, o degradación.o Allows the connection of battery modules of different characteristics, for example, different capacity, voltage, state of charge, chemistry, age, or degradation.

o Incluye elementos de protección del circuito.o Includes circuit protection elements.

Subsistema de control de distribución de potencia:Power distribution control subsystem:

o Se comunica con el resto de subsistemas para intercambio de datos y diagnóstico.o It communicates with the rest of the subsystems for data exchange and diagnosis.

o Procesa los datos adquiridos por el subsistema de adquisición de señales y lectura de datos.o Processes the data acquired by the signal acquisition and data reading subsystem.

o Evalúa los parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos para determinar los parámetros de control.o Evaluates the input parameters according to the criteria established to determine the control parameters.

o Cálculo de la distribución óptima de potencia para cada módulo de batería.o Calculation of the optimal power distribution for each battery module.

Subsistema de adquisición de señales y lectura de datos:Signal acquisition and data reading subsystem:

o Lectura de parámetros del sistema y del vehículo a través de los siguientes componentes:o Reading system and vehicle parameters through the following components:

■ N Buses de comunicaciones que posibilitan el establecimiento de la comunicación con el vehículo, en caso de que éste tuviera buses de comunicaciones, y con los N módulos de baterías, en caso de que éstos tuvieran buses de comunicaciones.■ N Communication buses that make it possible to establish communication with the vehicle, if it had communication buses, and with the N battery modules, if they had communication buses.

■ Diferentes sensores para conocer el estado de cada una de las entradas y salida del sistema. Entre ellos se pueden encontrar sensores de corriente, de voltaje, o de temperatura, entre otros.■ Different sensors to know the status of each of the inputs and outputs of the system. Among them you can find current, voltage, or temperature sensors, among others.

N Interfaces de conexión a módulo de batería. N Connection interfaces to battery module.

• Interfaz de conexión con el bus DC del vehículo.• Connection interface with the vehicle's DC bus.

En cuanto al procedimiento que se lleva a cabo mediante el algoritmo de control del sistema, al arrancar el vehículo, el sistema procede a la lectura de datos de entrada al algoritmo, procediéndose a llevar a cabo el cálculo de límites de operación, así como el cálculo de distribución óptima de potencia, generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha distribución de potencia en función de las lecturas obtenidas en tiempo real.Regarding the procedure that is carried out by means of the system control algorithm, when starting the vehicle, the system proceeds to read the input data to the algorithm, proceeding to carry out the calculation of operation limits, as well as the calculation of optimal power distribution, generating a feedback loop, which optimizes said power distribution based on the readings obtained in real time.

De forma más concreta, y en lo que respecta a la gestión del proceso de carga y descarga de las baterías, se tiene lo siguiente:More specifically, and with regard to the management of the battery charge and discharge process, there is the following:

Proceso de descarga:download process:

Tras el arranque del vehículo se adquieren los datos y señales y se procede al procesado de los datos, estableciéndose una etapa de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos, tras lo que se procede al cálculo de parámetros de control y seguidamente al cálculo de la distribución óptima de potencia para cada batería, ejecutando así la distribución óptima de dicha descarga, generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha descarga en función de las lecturas obtenidas en tiempo real.After starting the vehicle, the data and signals are acquired and the data is processed, establishing a stage of evaluation of the input parameters according to the established criteria, after which the control parameters are calculated and then the calculation of the optimal power distribution for each battery, thus executing the optimal distribution of said discharge, generating a feedback loop, which optimizes said discharge based on the readings obtained in real time.

Proceso de carga:Loading process:

Tras la conexión del cargador se adquieren los datos y señales y se procede al procesado de los datos, estableciéndose una etapa de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos para la carga, tras lo que se procede al cálculo de parámetros de control y seguidamente al cálculo de la distribución óptima de potencia para la carga de cada batería, ejecutando así la distribución óptima de dicha carga, generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha carga en función de las lecturas obtenidas en tiempo real. After connecting the charger, the data and signals are acquired and the data is processed, establishing an input parameter evaluation stage according to the criteria established for the load, after which the control parameters are calculated. and then to the calculation of the optimal power distribution for the charge of each battery, thus executing the optimal distribution of said charge, generating a feedback loop, which optimizes said charge based on the readings obtained in real time.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is going to be made below and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, with an illustrative and non-limiting nature, the following has been represented:

La figura 1.- Muestra una representación esquemática de general de un sistema inteligente de distribución de potencia para vehículos eléctricos realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.Figure 1.- Shows a general schematic representation of an intelligent power distribution system for electric vehicles made in accordance with the object of the present invention.

La figura 2.- Muestra una vista esquemática más detallada del conjunto de la figura 1.Figure 2.- Shows a more detailed schematic view of the assembly in Figure 1.

La figura 3.- Muestra un diagrama de bloques esquemático del procedimiento general seguido por el algoritmo de control del sistema.Figure 3.- Shows a schematic block diagram of the general procedure followed by the system control algorithm.

Las figuras 4 y 5.- Muestran sendos diagramas de bloques esquemáticos del procedimiento que sigue el algoritmo de control en los escenarios de descarga y carga respectivamente.Figures 4 and 5.- Show two schematic block diagrams of the procedure followed by the control algorithm in the download and upload scenarios, respectively.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓNPREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

A la vista de las figuras reseñadas, y en especial de la figura 1, puede observarse como el sistema inteligente de distribución de potencia para vehículos eléctricos objeto de la invención se constituye a partir de un equipo electrónico (1), destinado a conectarse a dos o más módulos de baterías (2,2’...2n), así como al bus de potencia del vehículo (3).In view of the outlined figures, and especially of figure 1, it can be seen how the intelligent power distribution system for electric vehicles object of the invention is constituted from an electronic equipment (1), intended to be connected to two or more battery modules (2.2'...2 n ), as well as to the vehicle's power bus (3).

A modo de ejemplo, se parte de un vehículo en el que se tienen dos módulos de batería (2-2’) conectados al sistema, con los siguientes criterios para la distribución de potencia: As an example, we start from a vehicle in which there are two battery modules (2-2') connected to the system, with the following criteria for power distribution:

• Garantizar la seguridad evitando corrientes de descarga elevadas en las celdas.• Guarantee safety by avoiding high discharge currents in the cells.

• Optimizar la vida útil de las baterías previniendo faltas de balance entre módulos.• Optimize the useful life of the batteries preventing imbalances between modules.

Se considera que las baterías son de la misma química, pero tienen un estado de carga diferente, por tanto, no están balanceadas. Además, cada módulo de batería tiene un BMS (Battery Management System), con un bus de comunicaciones CAN, al igual que el vehículo.The batteries are considered to be of the same chemistry, but have a different state of charge, therefore they are not balanced. In addition, each battery module has a BMS (Battery Management System), with a CAN communication bus, just like the vehicle.

Pues bien, de forma más concreta, y tal y como se muestra en la figura 2, el sistema de la invención se constituye a partir de los siguientes subsistemas y componentes:Well then, more specifically, and as shown in Figure 2, the system of the invention is made up of the following subsystems and components:

• Dos interfaces de conexión (4-4’) a los módulos de batería, que incluye protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos, etc.• Two connection interfaces (4-4') to the battery modules, which includes electrical protection against overloads, short circuits, etc.

• Interfaz de conexión con el bus de potencia (3) y de comunicaciones (3’) del vehículo, que incluye protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos, etc.• Connection interface with the vehicle's power (3) and communications (3') bus, which includes electrical protection against overloads, short circuits, etc.

• Subsistema de adaptación de potencia (5):• Power adaptation subsystem (5):

o Incluye medios para recibir la energía de cada módulo de batería (2-2’) y proporcionársela al vehículo para su operación, así como medios para controlar la energía aportada (52) por cada módulo de acuerdo a la distribución óptima de potencia calculado en el subsistema de control de distribución de potencia (6). Este subsistema incluye medios para operar en paralelo y de manera simultánea con los módulos de batería de los módulos de batería, aunque éstos tengan diferente capacidad, voltaje, estado de carga, química, edad o degradación. Incluye adicionalmente medios de eliminación de la dependencia entre el voltaje de cada módulo de batería y el voltaje del bus DC para mantener un voltaje óptimo para la operación del vehículo. De forma más concreta, el subsistema de adaptación de potencia (5) incluye:o Includes means to receive energy from each battery module (2-2') and provide it to the vehicle for its operation, as well as means to control the energy supplied (52) by each module according to the optimal power distribution calculated in the power distribution control subsystem (6). This subsystem includes means to operate in parallel and simultaneously with the battery modules of the battery modules, even if they have different capacity, voltage, state of charge, chemistry, age or degradation. It additionally includes means of eliminating the dependency between the voltage of each battery module and the voltage of the DC bus in order to maintain an optimum voltage for the operation of the vehicle. More specifically, the power adaptation subsystem (5) includes:

■ Elementos de protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos, altas temperaturas, etc. ■ Electrical protection elements against overloads, short circuits, high temperatures, etc.

■ Etapa de adaptación de potencia (51) que transmite la energía de cada módulo de batería al bus DC del vehículo.■ Power adaptation stage (51) that transmits the energy from each battery module to the DC bus of the vehicle.

■ Control de adaptación de potencia (52) que controla los parámetros de la etapa de adaptación de potencia para distribuir la potencia entre cada módulo, de acuerdo a los parámetros de control calculados por el subsistema de control de distribución de potencia. Incluye comunicación con el subsistema de control de distribución de potencia.■ Power adaptation control (52) that controls the parameters of the power adaptation stage to distribute the power between each module, according to the control parameters calculated by the power distribution control subsystem. Includes communication with the power distribution control subsystem.

Subsistema de control de distribución de potencia (6):Power distribution control subsystem (6):

Incluye un microcontrolador (61) que procesa y evalúa los datos adquiridos por el subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7) de acuerdo a los criterios establecidos para determinar los parámetros de control como corriente máxima y estado de carga de cada módulo de batería para el cálculo de la distribución óptima de potencia para cada módulo de batería.It includes a microcontroller (61) that processes and evaluates the data acquired by the signal acquisition and data reading subsystem (7) according to the established criteria to determine the control parameters such as maximum current and state of charge of each module. battery to calculate the optimal power distribution for each battery module.

Este subsistema incluye:This subsystem includes:

■ Medios de comunicación (62) con el subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7) para recibir los datos adquiridos, como corriente de carga y descarga, estado de carga, temperatura o información adicional de cada módulo de batería, y corriente de carga y descarga total, voltaje o temperatura del bus DC.■ Communication means (62) with the signal acquisition and data reading subsystem (7) to receive the acquired data, such as charge and discharge current, state of charge, temperature or additional information of each battery module, and current total charge and discharge, DC bus voltage or temperature.

■ Medios de comunicación (63) con el subsistema de adaptación de potencia (5) para transmitir los parámetros de control necesarios para la ejecución de la distribución óptima de potencia.■ Communication means (63) with the power adaptation subsystem (5) to transmit the control parameters necessary for the execution of the optimal power distribution.

■ Microcontrolador (61) que:■ Microcontroller (61) that:

• Procesa los datos adquiridos por el subsistema de adquisición de señales y lectura de datos.• Processes the data acquired by the signal acquisition and data reading subsystem.

• Evalúa los parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos. • Evaluates the input parameters according to the established criteria.

• Calcula los parámetros de control y la distribución óptima de potencia para cada batería.• Calculates control parameters and optimal power distribution for each battery.

• Medios de gestión (64) de las comunicaciones entre los diferentes componentes del sistema.• Management means (64) of the communications between the different components of the system.

• Monitoriza el estado del sistema.• Monitors the status of the system.

• Subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7):• Signal acquisition and data reading subsystem (7):

o Que lee los parámetros del sistema y del vehículo para comunicarlos al subsistema de control de distribución de potencia para su procesamiento y evaluación. Incluye:o That reads the system and vehicle parameters to communicate them to the power distribution control subsystem for processing and evaluation. Includes:

■ Bus de comunicación CAN (71), conectado al bus de comunicaciones del vehículo y a los BMS de los módulos de batería.■ CAN communication bus (71), connected to the vehicle communication bus and to the BMS of the battery modules.

■ Sensores (72) de corriente, voltaje y temperatura, para monitorizar el valor de corrientes de carga y descarga, voltajes y temperatura de cada módulo de batería, y del bus DC del vehículo.■ Current, voltage and temperature sensors (72), to monitor the value of charge and discharge currents, voltages and temperature of each battery module, and of the DC bus of the vehicle.

■ Elementos de protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos, altas temperaturas, etc.■ Electrical protection elements against overloads, short circuits, high temperatures, etc.

De acuerdo con la figura 3, el algoritmo de control de sistema, al arrancar el vehículo (8), el sistema procede a la lectura de datos (9) de entrada al algoritmo, procediéndose a llevar a cabo el cálculo de límites de operación (10), así como el cálculo de distribución óptima de potencia (11), generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha distribución de potencia en función de las lecturas obtenidas en tiempo real.According to figure 3, the system control algorithm, when starting the vehicle (8), the system proceeds to read data (9) input to the algorithm, proceeding to carry out the calculation of operation limits ( 10), as well as the calculation of optimal power distribution (11), generating a feedback loop, which optimizes said power distribution based on the readings obtained in real time.

De forma más concreta, y en lo que respecta al proceso de descarga, que se muestra en la figura 4, tras el arranque del vehículo (8) se adquieren los datos y señales (9) y se procede al procesado de los datos (101), estableciéndose una etapa (102) de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos, tras lo que se procede al cálculo de parámetros de control (103) y seguidamente al cálculo de la distribución óptima de potencia (104) para cada batería, ejecutando así la distribución óptima de dicha descarga (111), generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha descarga en función de las lecturas obtenidas en tiempo real.More specifically, and with regard to the download process, which is shown in figure 4, after starting the vehicle (8) the data and signals are acquired (9) and the data is processed (101 ), establishing a stage (102) for evaluating the input parameters according to the established criteria, after which the control parameters (103) are calculated and next to the calculation of the optimal power distribution (104) for each battery, thus executing the optimal distribution of said discharge (111), generating a feedback loop, which optimizes said discharge based on the readings obtained in real time.

Por su parte, el proceso de carga, representado en la figura 5 es como sigue:For its part, the charging process, represented in Figure 5, is as follows:

Tras la conexión del cargador (12) se adquieren los datos y señales (9’) y se procede al procesado de los datos (101’), estableciéndose una etapa de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos para la carga (102’), tras lo que se procede al cálculo de parámetros de control (103’) y seguidamente al cálculo de la distribución óptima de potencia (104’) para la carga de cada batería, ejecutando así la distribución óptima de dicha carga (111’), generándose un bucle retroalimentado, que optimiza dicha carga en función de las lecturas obtenidas en tiempo real.After connecting the charger (12), the data and signals (9') are acquired and the data is processed (101'), establishing an input parameter evaluation stage according to the criteria established for the load ( 102'), after which the control parameters are calculated (103') and then the optimal power distribution (104') is calculated for the charge of each battery, thus executing the optimal distribution of said charge (111 '), generating a feedback loop, which optimizes said load based on the readings obtained in real time.

De forma más concreta, un ejemplo de funcionamiento básico del sistema es:More specifically, an example of the basic operation of the system is:

El usuario enciende el vehículo, el sistema verifica las condiciones de seguridad para la operación del vehículo y se comunica con el controlador del vehículo y los BMS de las baterías a través del bus de comunicaciones para conocer los parámetros del sistema como corriente de descarga y estado de carga de cada módulo de batería, voltaje y corriente del bus DC, entre otros. El sistema permite la operación del vehículo con un único módulo de batería, en caso de que el segundo módulo no se encuentre en el vehículo o se detecten motivos técnicos o defectos por los que no se deba operar con él.The user starts the vehicle, the system checks the safety conditions for the vehicle operation and communicates with the vehicle controller and the BMS of the batteries through the communication bus to know the system parameters such as discharge current and status. charge of each battery module, voltage and current of the DC bus, among others. The system allows the operation of the vehicle with a single battery module, in the event that the second module is not in the vehicle or technical reasons or defects are detected for which it should not be operated with.

Los datos y señales leídos son procesados para ser analizados por el algoritmo de control de acuerdo a los criterios establecidos.The data and signals read are processed to be analyzed by the control algorithm according to the established criteria.

En este caso, el sistema evalúa el estado de carga de cada módulo de batería y concluye con que el módulo con mayor estado de carga proporciona la potencia requerida por el vehículo, con el objetivo de igualar el estado de carga de ambos módulos.In this case, the system evaluates the state of charge of each battery module and concludes that the module with the highest state of charge provides the power required by the vehicle, in order to equalize the state of charge of both modules.

El sistema monitoriza diferentes parámetros del sistema, por ejemplo, la corriente de descarga de ambos módulos de batería para evitar valores altos.The system monitors different system parameters, for example, the discharge current of both battery modules to avoid high values.

El sistema calcula los parámetros de control determinados, en este caso, entre ellos se encuentra el valor máximo de corriente que puede proporcionar cada módulo de batería en función de sus parámetros (estado de carga, temperatura, especificaciones, etc) tal que se eviten corrientes de descarga elevadas que puedan dañar el módulo de batería.The system calculates the determined control parameters, in this case, among them is the maximum current value that each battery module can provide based on its parameters (state of charge, temperature, specifications, etc.) in such a way that currents are avoided. high discharge rates that can damage the battery module.

Cuando el valor de corriente de descarga del módulo alcanza el parámetro de control correspondiente a la corriente máxima, el sistema distribuye la potencia requerida por el vehículo entre los dos módulos de batería, de manera que el módulo de batería con mayor estado de carga proporciona la máxima potencia calculada tal que se mantienen las condiciones de seguridad, y el otro módulo de batería proporciona el excedente de potencia requerida por el vehículo.When the discharge current value of the module reaches the control parameter corresponding to the maximum current, the system distributes the power required by the vehicle between the two battery modules, so that the battery module with the higher state of charge provides the maximum calculated power such that safety conditions are maintained, and the other battery module provides the excess power required by the vehicle.

Cuando la potencia requerida por el vehículo disminuye, y alcanza un valor tal que el módulo de batería con mayor estado de carga puede proporcionar la totalidad de la corriente en condiciones de seguridad, el módulo con menor estado de carga para de proporcionar corriente.When the power required by the vehicle decreases, and reaches a value such that the battery module with the highest state of charge can provide all the current in safe conditions, the module with the lowest state of charge stops providing current.

Durante la operación, el sistema continúa comunicándose con el controlador y los BMS de las baterías.During operation, the system continues to communicate with the controller and the BMS of the batteries.

Una vez ambos módulos alcanzan el mismo estado de carga, el sistema calcula la distribución óptima de potencia para que ambos módulos de batería se mantengan balanceados. Once both modules reach the same state of charge, the system calculates the optimal power distribution so that both battery modules remain balanced.

Claims (4)

REIVINDICACIONES 1a.- Sistema inteligente de distribución de potencia para vehículos eléctricos, que estando constituido a partir de un equipo electrónico (1), dotado de medios de conexión a dos o más módulos de baterías (2,2’...2n), así como al bus de potencia del vehículo (3), se caracteriza porque el equipo electrónico (1) está constituido a partir de los siguientes subsistemas:1a.- Intelligent power distribution system for electric vehicles, which being constituted from an electronic equipment (1), equipped with means of connection to two or more battery modules (2.2'...2 n ), as well as the vehicle power bus (3), is characterized in that the electronic equipment (1) is made up of the following subsystems: a) Tantas interfaces de conexión (4-4’. 4n) como módulos de batería (2,2’...2n) participen en el vehículo, que incluyen al menos protecciones eléctricas contra sobrecargas, y cortocircuitos.a) As many connection interfaces (4-4'. 4 n ) as battery modules (2.2'...2 n ) participate in the vehicle, which include at least electrical protection against overloads and short circuits. b) Interfaz de conexión con el bus de potencia (3) y de comunicaciones (3’) del vehículo, que incluye al menos protecciones eléctricas contra sobrecargas y cortocircuitos.b) Connection interface with the vehicle's power (3) and communications (3') bus, which includes at least electrical protection against overloads and short circuits. c) Subsistema de adaptación de potencia (5) que incluye medios para recibir la energía de cada módulo de batería (2-2’-2n) y proporcionársela al vehículo para su operación, así como medios para controlar la energía aportada (52) por cada módulo de acuerdo a la distribución óptima de potencia calculado por un subsistema de control de distribución de potencia (6), incluyendo medios para operar en paralelo los módulos de batería para la carga y descarga simultánea de dichos módulos cuando dicha configuración resulte óptima, medios de eliminación de la dependencia entre el voltaje de cada módulo de batería y el voltaje del bus DC, elementos de protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos y altas temperaturas, una etapa de adaptación de potencia (51) con su correspondiente módulo de control con comunicación con el subsistema de control de distribución de potencia (6).c) Power adaptation subsystem (5) that includes means to receive energy from each battery module (2-2'-2 n ) and provide it to the vehicle for its operation, as well as means to control the energy provided (52). for each module according to the optimal power distribution calculated by a power distribution control subsystem (6), including means to operate the battery modules in parallel for the simultaneous charging and discharging of said modules when said configuration is optimal, Means for eliminating the dependency between the voltage of each battery module and the voltage of the DC bus, electrical protection elements against overloads, short circuits and high temperatures, a power adaptation stage (51) with its corresponding control module with communication with the power distribution control subsystem (6). d) Subsistema de control de distribución de potencia (6) que incluye un microcontrolador (61) dotado de medios para el procesado y evaluación de los datos adquiridos por un subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7) de acuerdo a los criterios establecidos para determinar los parámetros de control tales como corriente máxima y estado de carga de cada módulo de batería para el cálculo de la distribución óptima de potencia para cada módulo de batería, medios de comunicación (62) con el subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7), como corriente de carga y descarga, estado de carga, temperatura o información adicional de cada módulo de batería, y corriente de carga y descarga total, voltaje o temperatura del bus DC y medios de comunicación (63) con el subsistema de adaptación de potencia (5), así como de los diferentes componentes del sistema.d) Power distribution control subsystem (6) that includes a microcontroller (61) equipped with means for processing and evaluating the data acquired by a signal acquisition and signal reading subsystem. data (7) according to the criteria established to determine the control parameters such as maximum current and state of charge of each battery module for the calculation of the optimal power distribution for each battery module, means of communication (62) with the signal acquisition and data reading subsystem (7), such as charge and discharge current, state of charge, temperature or additional information of each battery module, and total charge and discharge current, voltage or temperature of the DC bus and means of communication (63) with the power adaptation subsystem (5), as well as the different components of the system. e) Subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7), que incluye uno o varios Buses de comunicación, sensores (72) de corriente, voltaje y temperatura, de monitorización del valor de corrientes de carga y descarga, voltajes y temperatura de cada módulo de batería, y del bus DC del vehículo, así como elementos de protecciones eléctricas contra sobrecargas, cortocircuitos o altas temperaturas.e) Signal acquisition and data reading subsystem (7), which includes one or more communication buses, current, voltage and temperature sensors (72), for monitoring the value of charge and discharge currents, voltages and temperature of each battery module, and the vehicle's DC bus, as well as electrical protection elements against overloads, short circuits or high temperatures. 2a.- Procedimiento para la puesta en práctica del sistema de la reivindicación 1a, caracterizado por que en el mismo se establecen las siguientes fases operativas:2nd.- Procedure for putting into practice the system of claim 1st, characterized in that it establishes the following operational phases: a) Con el vehículo arrancado (8) se procede a la lectura de datos (9) de entrada al algoritmo del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7). b) Se calculan los límites de operación (10).a) With the vehicle started (8), we proceed to read the data (9) input to the algorithm of the signal acquisition and data reading subsystem (7). b) The operating limits are calculated (10). c) Se calcula la distribución óptima de potencia (11), contemplando la carga y descarga simultánea de cada módulo de batería (2-2’-2n).c) The optimal power distribution (11) is calculated, contemplating the simultaneous charge and discharge of each battery module (2-2'-2 n ). d) Se genera un bucle retroalimentado, con las nuevas señales adquiridas del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7).d) A feedback loop is generated, with the new signals acquired from the signal acquisition and data reading subsystem (7). 3a.- Procedimiento, según reivindicación 2a, caracterizado por que cuando el vehículo se encuentra en proceso de descarga, en el sistema se establecen las siguientes fases operativas: 3.- Procedure, according to claim 2, characterized in that when the vehicle is in the unloading process, the following operating phases are established in the system: a) Con el vehículo arrancado (8) se procede a la lectura de datos (9) de entrada al algoritmo del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7). b) Se procede al procesado de los datos (101).a) With the vehicle started (8), we proceed to read the data (9) input to the algorithm of the signal acquisition and data reading subsystem (7). b) The data is processed (101). c) Se establece una etapa (102) de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a criterios pre-establecidos.c) A stage (102) is established for evaluating the input parameters according to pre-established criteria. d) Se calculan los de parámetros de control (103).d) The control parameters (103) are calculated. e) Se calcula la distribución óptima de potencia (104) para cada batería.e) The optimal power distribution (104) for each battery is calculated. f) Se ejecuta la distribución óptima de descarga (111).f) The optimal discharge distribution (111) is executed. g) Se genera un bucle retroalimentado, con las nuevas señales adquiridas del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7).g) A feedback loop is generated, with the new signals acquired from the signal acquisition and data reading subsystem (7). 4a.- Procedimiento, según reivindicación 2a, caracterizado por que cuando el vehículo se encuentra en proceso de carga, en el sistema se establecen las siguientes fases operativas:4th.- Procedure, according to claim 2nd, characterized in that when the vehicle is in the charging process, the following operating phases are established in the system: a) Se conecta el cargador (12) y se procede a la lectura de datos (9’) de entrada al algoritmo del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7). b) Se procesan los datos (101’), estableciéndose una etapa de evaluación de parámetros de entrada de acuerdo a los criterios establecidos para la carga (102’).a) The charger (12) is connected and the input data (9') is read to the algorithm of the signal acquisition and data reading subsystem (7). b) The data is processed (101'), establishing an input parameter evaluation stage according to the criteria established for the load (102'). c) Se calculan los parámetros de control (103’).c) The control parameters are calculated (103'). d) Se calcula la distribución óptima de potencia (104’) para la carga de cada batería, se ejecuta la distribución óptima de carga (111’).d) The optimal power distribution is calculated (104') for charging each battery, the optimal load distribution is executed (111'). e) Se genera un bucle retroalimentado, con las nuevas señales adquiridas del subsistema de adquisición de señales y lectura de datos (7). e) A feedback loop is generated, with the new signals acquired from the signal acquisition and data reading subsystem (7).
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