ITMI20091868A1 - Metodo per la rilevazione continua dell'efficienza di una batteria specie di una batteria installata in autoveicoli e dispositivo utilizzante tale metodo - Google Patents

Metodo per la rilevazione continua dell'efficienza di una batteria specie di una batteria installata in autoveicoli e dispositivo utilizzante tale metodo Download PDF

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ITMI20091868A1
ITMI20091868A1 IT001868A ITMI20091868A ITMI20091868A1 IT MI20091868 A1 ITMI20091868 A1 IT MI20091868A1 IT 001868 A IT001868 A IT 001868A IT MI20091868 A ITMI20091868 A IT MI20091868A IT MI20091868 A1 ITMI20091868 A1 IT MI20091868A1
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soh
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Silvia Cazzanti
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Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
“Metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria, specie di una batteria installata in autoveicoli, e dispositivo utilizzante tale metodoâ€
Descrizione
La presente invenzione si riferisce a un metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria, specie di una batteria installata in autoveicoli, nonché al relativo dispositivo basato sull'utilizzo di tale metodo.
Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a un metodo atto a consentire di conoscere lo stato di carica (SOC), lo stato di salute (SOH) e lo stato funzionale (SOF) delle batterie durante il loro utilizzo in un autoveicolo; l’invenzione, in base a tale metodo, riguarda anche un dispositivo, collegato direttamente alla batteria installata sull’autoveicolo, in grado di effettuare un monitoraggio continuo degli stati sopra nominati della batteria stessa e individuare l’approssimarsi delle condizioni critiche che non consentono il riavviamento del motore.
Come à ̈ noto, le batterie di avviamento utilizzate sugli autoveicoli per l’accensione del motore e per l’alimentazione degli apparati elettrici sono soggette a scaricarsi progressivamente e, durante la marcia, l’alternatore provvede a compensare la loro perdita di energia. Con il passare del tempo, tuttavia, l’efficienza delle batterie viene meno pur in presenza della costante ricarica da parte dell’alternatore; questo calo di efficienza non viene in genere rilevato né segnalato all'utilizzatore, cosicché questi si trova il più delle volte ad affrontare l’inconveniente quando à ̈ troppo tardi, cioà ̈ quando la batteria non dispone di carica e/o funzionalità sufficienti ad avviare il motore. Si tratta di una situazione che provoca notevoli disagi, talvolta incrementati dal fatto che ci si trova in luoghi ove non à ̈ rapidamente disponibile un servizio per la sostituzione della batteria.
Va inoltre considerato che sono sempre più diffusi veicoli dotati di tecnologia Stop e Start, che comprendono dispositivi atti a spegnere automaticamente il motore durante le soste, al fine di ridurre le emissioni in atmosfera di gas nocivi oltre che i consumi di carburante. In queste condizioni, una batteria in cattivo stato può difficilmente sopportare continui riavviamenti del motore e il pericolo di un’ improvvisa sosta forzata à ̈ quindi reale. Nel tentativo di ovviare a questo inconveniente sono stati ideati, dalla stessa richiedente, un metodo e un dispositivo atti a consentire di rilevare l’efficienza di una batteria, descritti nel brevetto italiano n.
1.357.179/2003. Tale privativa si riferisce però alla determinazione dello stato di carica delle batterie in condizioni di circuito aperto; lo stato di salute della batteria indicato con SOH (State of Health) à ̈ preso come parametro identificativo delle condizioni della batteria stessa e il suo valore determina se essa à ̈ carica, scarica o da sostituire. Lo SOH à ̈ funzione dello stato di carica SOC (State of Charge) della batteria, determinabile direttamente dalla tensione a circuito aperto della stessa e del suo grado di invecchiamento, che si traduce, in termini quantitativi, in un aumento della resistenza interna della batteria, che il metodo di cui al brevetto sopra nominato rileva attraverso l’applicazione di un carico controllato in corrente in condizioni predefinite. Questo metodo, per quanto valido, à ̈ più adatto alla realizzazione di un dispositivo da banco, posto che individua lo stato di carica in condizioni di circuito aperto o key-off.
Sono altresì noti metodi e dispositivi di rilevazione dello stato di carica delle batterie in condizioni di key-on, ma si tratta di soluzioni basate sulla misurazione delle correnti che si traducono in apparati complessi e soprattutto costosi. Soluzioni di questo tipo sono note, ad esempio, da U.S. 6,453,129 e da U.S 6,369,578, nonché da DE 19952693 e da EP 0908737
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti sopra lamentati.
Più in particolare, lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di provvedere un metodo e un dispositivo atti a consentire di monitorare in continuo gli stati SOC, SOH e SOF di una batteria e le relative variazioni sia in condizioni di circuito aperto o key-off che in condizioni di circuito chiuso o key-on.
Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un metodo e un dispositivo atti a determinare l’autonomia residua della batteria.
Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di provvedere un metodo e un dispositivo atti a rilevare il regime di corrente con cui la batteria si sta scaricando.
Questi e altri scopi ancora vengono raggiunti dal metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria e dal dispositivo utilizzante tale metodo secondo l’invenzione in accordo con le annesse rivendicazioni.
Le caratteristiche del metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria della presente invenzione potranno essere meglio comprese dalla dettagliata descrizione che segue, in cui si fa riferimento alle allegate figure che illustrano, a scopo esemplificativo e non limitativo, rispettivamente:
la figura 1 uno schema a blocchi relativo al calcolo dello stato di salute SOH della batteria secondo il metodo della presente invenzione;
le figure 2, 3 e 4 rappresentano altrettanti diagrammi di riferimento del metodo secondo l’invenzione.
Con riferimento alle figure annesse, il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la presente invenzione comprende almeno una prima fase atta a determinarne il livello dello Stato di Carica (SOC = State of Charge) e quello dello Stato di Salute (SOH = State of Health) con veicolo a motore spento, cioà ̈ in condizione di key-off. Lo SOC% si determina dalla tensione a circuito aperto (OCV = open circuii voltage) della batteria, che viene raggiunta solo a seguito di un periodo in cui il veicolo à ̈ rimasto a motore spento; tale valore di OCV si ottiene dalla relazione Vocv= f (t), che estrapola il valore di OCV stabilizzato in funzione del tempo di key-off.
La tensione a circuito aperto OCV permette di calcolare lo SOC% iniziale, che una volta quantificato consente di determinare lo SOH; ciò si ottiene attraverso l’applicazione di un carico controllato di corrente (ad esempio compreso tra 15 e 50A) e registrando in pari tempo la caduta di tensione AV (cioà ̈ la differenza tra i due valori di tensione rilevati) che si verifica in un dato periodo temporale. Detto ultimo à ̈ di preferenza compreso tra 0.1 e 30 secondi.
Il valore SOH che si ottiene in questo modo à ̈ funzione di SOC % e AV, cioà ̈ SOH = f (SOC%, AV). Il risultato indica lo stato di salute della batteria, permettendo così di stabilire se essa à ̈ in condizione di avviare il motore, con particolare ma non esclusivo riferimento alla presenza sul veicolo di un dispositivo Stop e Start. I due parametri SOC% e AV, come pure di conseguenza anche il parametro SOH, sono funzione della temperatura; i valori che vengono determinati attraverso tali misure devono quindi essere corretti in rapporto al valore di temperatura rilevato al momento delle misurazioni.
Con i dati di SOC% e AV si definisce il valore di SOH iniziale, attraverso il piano cartesiano di figura 2 che illustra la suddivisione delle regioni che diversificano le condizioni di una batteria in situazione dinamica. Si fissano, in primis, due grandezze che definiscono i limiti entro i quali viene garantito ravviamento del motore; in particolare si stabilisce un SOC%minal di sotto del quale non viene garantito l’avviamento del motore e un ΔVmaxal di sopra della quale non viene garantito ravviamento dello stesso. A questo punto, il valore di AV che si registra a seguito dell’applicazione del carico, viene normalizzato all’interno della regione delimitata dalle curve [A] e [B] mostrate in figura 2, in modo che il parametro SOH venga convertito in un valore numerico compreso tra 0 (curva [B]) e 1 (curva [A]), attraverso la relazione:
(b - ΔV)/ (b - a), dove “b†sta a indicare la caduta di tensione che si può verificare, per applicazione del carico controllato in corrente, in corrispondenza di un certo valore di SOC%, corrispondente ai punti giacenti sulla curva [B] di figura 2 e al di sopra della quale l’SOH risultante indica che la batteria non si trova in buone condizioni; invece “a†indica la caduta di tensione minima che si può verificare in corrispondenza di un certo valore di SOC% per applicazione del carico controllato di corrente e corrispondente ai punti giacenti sulla curva [A]. Per correlare il valore di detta relazione
SOH25°C(dove 25° indica la temperatura di riferimento della batteria) = (b - ΔV)/(b -a) allo stato di carica in cui si trova la batteria e valutarne quindi il grado di invecchiamento in relazione a quello specifico stato di carica à ̈ sufficiente verificare quanto si scosta questo punto dal corrispondente valore sulla curva [A] attraverso l’ulteriore relazione 1 - [(b - ΔV)/(b - a)], che fornisce il valore E3 corrispondente a un numero compreso tra zero e 1, indicativo del grado di invecchiamento della batteria in rapporto a un certo valore di SOC%. I valori di E3 prossimi a zero si riferiscono a batterie con un certo stato di carica ma nuove, mentre i valori prossimi a 1 riguardano batterie con un certo grado di invecchiamento, alle quali va posta maggior attenzione, che si traduce, secondo il metodo della presente invenzione, in un controllo più frequente degli stati SOC%, SOH e SOF.
Alla fine, infatti, se E3 ≤ 1 — [(b-ΔV )/(b-a)], la batteria può considerarsi efficiente, altrimenti viene indicato l’allarme che si evidenzia, su un dato dispositivo collegato alla batteria, in forma sonora e/o visiva, oppure verranno alternativamente inibite le funzioni collegate a questo parametro o verranno reiterati con maggior frequenza i calcoli per la determinazione degli stati SOC%, SOH e SOF e delle loro eventuali variazioni.
La fase di key-off sopra descritta comporta il rilevamento, il calcolo e la memorizzazione dei valori di SOC% e di SOH iniziali.
In fase di key-on si monitora la tensione ai terminali della batteria, per distinguere quando essa si trova in condizioni di carica dall’alternatore o quando inizia una fase di scarica.
La tensione viene monitorata secondo il seguente schema:
ti = 0 e Vi = Vo, dove Vi à ̈ la tensione della batteria rilevata al tempo ti = 0 in cui il dispositivo inizia la rilevazione della tensione, tn = ti Δt, dove Δt à ̈ l’intervallo di tempo in cui si rileva la tensione della batteria, e Vn = Vtn
Quando si verificano le seguenti situazioni:
Vtn- V(tn -Δt)> - (0.05÷0.5) V;
Vtn- V(tn -2Δt> - (0.05÷0.5) V;
Vtn-V(tn -3Δt)> - (0.05÷0.5) V;
la batteria inizia a scaricarsi per cui à ̈ necessario impostare la funzione di determinazione del regime di scarica.
Se la batteria à ̈ stata diagnosticata in condizioni di scarica, viene determinato il regime di scarica o regime di corrente, che si descriverà dettagliatamente in seguito, attraverso i tre parametri SOC% iniziale, Vne tnche rappresentano rispettivamente:
SOC% = stato di carica, Vn= tensione della batteria al tempo tne tn= tempo in secondi conteggiato dall’inizio di una fase di scarica. Inoltre, sulla base del regime di scarica o regime di corrente calcolato e del valore di SOC% iniziale della batteria à ̈ possibile determinare l’autonomia residua della stessa secondo quel regime di corrente e secondo l’evoluzione dello SOC % durante la scarica. Tenuto conto del fatto che in condizioni di utilizzo la corrente varia continuamente, questa fase del procedimento va reiterata per aggiornare continuamente l’SOC % reale della batteria; attraverso il metodo della presente invenzione, in particolare, à ̈ possibile rilevare il cambiamento di regime di scarica della batteria attraverso il rilievo della tensione e aggiornare quindi in continuo il calcolo del regime di scarica e di conseguenza di SOC% e della autonomia residua della batteria al tempo n-esimo in cui viene avviato il calcolo.
Per la determinazione del regime di scarica o regime di corrente, nel caso in cui la batteria sia stata diagnosticata in condizione di scarica (e non in carica sotto alternatore) si fissano le seguenti grandezze: Vn, Δt= 0, SOC % in = SOC %tn-3Δt
Si individua quindi un parametro “yo†e un ulteriore parametro Al funzioni, entrambi, sia del valore di tensione, Vn, della batteria sia dello stato di carica iniziale della batteria.
Il parametro yocostituisce un coefficiente numerico, come quello Al, i cui valori numerici si possono determinare attraverso lo SOC% iniziale e la tensione Vn rilevata dal dispositivo al tempo tn. In particolare yoà ̈ funzione della tensione Vn attraverso la relazione:
yo = B1*(-Vn) B2*(-Vn)<2>+ B3
La dipendenza di yoda SOC% iniziale à ̈ derivante dai parametri Bl, B2 e B3 che variano lineramente in funzione di SOC% iniziale in cui si trova la batteria.
Nel caso di A1 la dipendenza dalla tensione Vn à ̈ espressa dalla seguente relazione:
A1 = C*exp(-exp(-k1*((-Vn)-k2)))
In cui k2 e k3 sono delle costanti, mentre attraverso il parametro C si corregge il valore di Al in funzione di SOC% iniziale. C infatti à ̈ funzione di SOC% iniziale.
Attraverso i due parametri A1 e y0 sopra descritti, si può determinare il regime di corrente i(A) con cui si sta scaricando la batteria attraverso la seguente relazione:
i(A)= - k3- ln [(tn- yo)/A1],
dove k3Ã ̈ una costante e i(A) corrisponde alla corrente in Ampere. A questo punto, noto il valore i(A) che indica con quale regime di corrente si sta scaricando la batteria, Ã ̈ possibile calcolare il valore di SOC% della batteria stessa al tempo tn. Il valore i(A) viene impiegato per determinare il parametro m, che indica la pendenza, o coefficiente angolare, della correlazione lineare tra lo SOC%, in evoluzione durante la scarica, e il tempo tn, (descritta successivamente) tramite la relazione
m = k4· (A)<2>] k5· (A)] k6
in cui k4k5e kg sono coefficienti numerici che permettono la correlazione matematica tra la corrente i(A) e il coefficiente angolare m, utilizzato successivamente per la determinazione della variazione dello SOC%. Tali coefficienti numerici, k4k5e k6variano a seconda della capacità della batteria su cui viene installato il dispositivo.
L’andamento che indica la variazione del coefficiente angolare “m†in funzione del regime di corrente di scarica calcolato à ̈ illustrato a figura 3.
Attraverso il valore “m†si può quindi calcolare SOC% al tempo con la relazione seguente:
SOC% = m · (tn) SOC% iniz
L’andamento relativo à ̈ illustrato a figura 4, nel caso specifico ed esemplificativo di batterie 100 Ah che si trovano in uno SOC% iniziale del 90%. Tale andamento à ̈ stato verificato anche sugli altri stati di carica e su batterie di capacità inferiore.
La tensione viene sistematicamente monitorata e allorché si rileva una variazione che indica un calo ad esempio compreso tra il 3% e il 7% rispetto al valore iniziale di SOC%, si calcola il valore SOH della batteria al tempo tn, attraverso l' applicazione del carico controllato in corrente secondo le modalità descritte precedentemente e lo si controlla secondo lo schema di figura 1 . In relazione a tale schema si stabilisce se il nuovo SOH calcolato al tempo tn sia indicativo di una batteria ancora in grado di sopportare un regime di scarica o meno e si trasmettono in uscita i relativi valori.
Il calcolo sopra descritto, che permette la stima del regime di corrente con il quale si sta scaricando la batteria e della progressiva evoluzione di SOC%, consente la determinazione dell’autonomia residua della batteria, che viene definito dallo SOF (State of Function). Durante una fase di scarica, infatti, la continua variazione del carico di corrente che grava sulla batteria comporta una continua variazione della velocità di evoluzione di SOC%. Per cui, fissato un SOC%m SOF sarà un parametro, funzione di i(A) (regime di corrente con cui si sta scaricando la batteria), del valore di SOC% fissato come SOC%min, di SOC% calcolato al tempo tn e di conseguenza anche della temperatura.
SOF = f(i(A), SOC%min, SOC%, T°C).
La variazione continua di i(A) e di conseguenza di SOC% comporterà quindi una variazione continua dell’autonomia residua della batteria, che verrà espressa dal parametro SOF.
Detto dispositivo, posto nel veicolo in modo da avere un contatto elettrico con la batteria, da cui viene alimentato, comprende almeno un sensore di temperatura e uno di tensione, cavi di connessione ai terminali della batteria, un carico resistivo predeterminato e controllato, una scheda elettronica di controllo, rilevazione, elaborazione e memorizzazione dei dati, deve essere in grado di trasmettere in uscita le informazioni elaborate, codificate o meno, ed opzionalmente inviare un segnale sonoro e/ o visivo al conducente.
Benché l’invenzione sia stata sopra descritta con particolare riferimento a una sua forma di realizzazione, data a scopo esemplificativo e non limitativo, numerose modifiche e varianti appariranno evidenti a un esperto del ramo alla luce della descrizione sopra riportata. La presente invenzione, pertanto, intende abbracciare tutte le modifiche e le varianti che rientrano nello spirito e nell’ambito protettivo delle rivendicazioni che seguono.

Claims (9)

  1. Rivendicazioni 1) Un metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria, specie di una batteria installata in autoveicoli, comprendente le fasi di: - determinare lo stato di carica SOC% della batteria installata sul veicolo, sia in fase di key-off che in fase di key-on, senza misura diretta della corrente, tramite letture progressive di tensione batteria, sia in assenza che in presenza di carico elettrico e considerando il tempo intercorso dall’inizio di ogni fase di scarica; - determinare lo stato di salute SOH della stessa batteria tramite l’applicazione di un carico controllato di corrente e la comparazione della conseguente caduta di tensione in confronto a parametri predeterminati; - determinare lo stato funzionale SOF di detta batteria tramite stima della sua autonomia residua in funzione del regime di scarica o regime di corrente e dell’evoluzione di SOC%; - correlare e normalizzare i parametri sopra descritti (SOC, SOH, e SOF) in dipendenza della temperatura di esercizio della batteria; - memorizzare almeno i valori di SOC% e di SOH iniziali rilevati in fase di key — off.
  2. 2) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 1, comprendente l’ulteriore fase di monitoraggio o ripetizione della rilevazione periodica di SOC%, SOH e SOF e memorizzazione dei relativi dati.
  3. 3) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 1, in cui tramite la lettura progressiva della tensione di batteria si determina quando la stessa si trova in una situazione di scarica.
  4. 4) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo le rivendicazioni 1 e 2, in cui il regime di corrente o regime di scarica viene determinato attraverso i parametri SOC% iniziale, Vne tnche indicano rispettivamente lo stato di carica iniziale della batteria, la tensione della batteria al tempo e il tempo in secondi conteggiato dall’inizio di una fase di scarica.
  5. 5) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 1, in cui la variazione di SOC% à ̈ valutata attraverso la determinazione del regime di scarica.
  6. 6) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 5, in cui la determinazione di SOH al tempo n-esimo à ̈ correlata all’SOC% al tempo nesimo ed à ̈ valutata attraverso una caduta di tensione ΔV determinata dall’applicazione di un carico controllato e costante di 15÷50 A per un periodo di tempo predeterminato di 0.1 ÷30 secondi.
  7. 7) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 6, in cui il valore SOH iniziale à ̈ convertito in un valore numerico compreso tra zero e 1 attraverso la relazione (b - ΔV)/(b - a) nella quale “b†indica la caduta di tensione che si può verificare in corrispondenza di un certo valore di SOC% per applicazione del carico controllato di corrente, mentre “a†indica la caduta di tensione minima che si può verificare per applicazione del carico controllato di corrente in corrispondenza di un dato valore di SOC%.
  8. 8) Il metodo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo la rivendicazione 1, in cui lo stato funzionale, SOF, à ̈ legato da un lato all’autonomia residua della batteria in ogni istante, determinata attraverso la valutazione del regime di scarica, dall’altro all’SOC% allo stesso istante, ed infine ad un SOC% limite che definisce la garanzia di riavviamento del motore.
  9. 9) Un dispositivo per la rilevazione continua dell’efficienza di una batteria secondo il metodo di cui alle rivendicazioni precedenti, detto dispositivo essendo posto nel veicolo in modo da avere un contatto elettrico con la batteria e da essere alimentato dalla batteria stessa, comprendente almeno un sensore di temperatura e uno di tensione, cavi di connessione ai terminali della batteria, un carico resistivo predeterminato e controllato, e una scheda elettronica di controllo, rilevazione, elaborazione e memorizzazione dei dati, detto dispositivo essendo in grado di trasmettere in uscita le informazioni elaborate, codificate o meno, con eventuale invio di un segnale sonoro e/ o visivo al conducente del veicolo.
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