WO2023272405A1 - Un sistema de gestión para baterías - Google Patents

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WO2023272405A1
WO2023272405A1 PCT/CL2021/050108 CL2021050108W WO2023272405A1 WO 2023272405 A1 WO2023272405 A1 WO 2023272405A1 CL 2021050108 W CL2021050108 W CL 2021050108W WO 2023272405 A1 WO2023272405 A1 WO 2023272405A1
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WO
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battery
charge
batteries
state
management system
Prior art date
Application number
PCT/CL2021/050108
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pablo Martín POBLETE DURRUTY
Original Assignee
Andes Electronics Spa
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a management system for batteries, mainly for second-use heterogeneous batteries.
  • ERN non-conventional renewable energy sources
  • EV electric vehicle
  • LED lighting LED lighting
  • Some of the expected power quality issues associated with high ERN penetration are voltage fluctuation, reactive power flow, harmonic injection, and excessive neutral currents.
  • BESS Battery Energy Storage Systems
  • Second-life batteries cost significantly less than new ones, while still retaining most of their performance capabilities. Consequently, these batteries have the potential to overcome the barrier of the high investment cost of BESS and accelerate the massive integration of ERNs.
  • SLBESS Second Life Battery Storage Systems
  • the system receives a reference voltage, which is then divided among the N modules, thus providing an individual reference voltage for each module.
  • the state of charge of the battery is controlled by means of dc-dc voltage converters, which can take the charge from full connection to full disconnection. Furthermore, it is said that temperature overheating of each battery can be prevented by means of said converters.
  • the discharge cycle similarly, is controlled by means of current control.
  • US 9,222,985 shows an apparatus for managing a battery system, including a plurality of battery modules connected in series, such that the performance of each module is measured, wherein each module is disconnected if its performance falls below a reference performance . It is said that if a battery is far below others, it is considered as degraded, and it is disconnected from the series. In particular, it is also mentioned that temperature could be considered to disconnect a module.
  • US 2012/0256593 describes a system for managing the charging of different batteries. The problem that occurs when connecting multiple batteries with different capacities, where charging is achieved only up to the maximum voltage of one of the batteries, while discharging is limited to the minimum voltage of one of the batteries, is mentioned.
  • the proposed solution is to charge through a current a series of batteries arranged in series, current that stops when the maximum voltage of the battery with the lowest maximum voltage is reached. A circuit then takes over to finish charging for the other batteries, until a maximum charge can be obtained on all, if possible. Another circuit checks the states of charge of each battery continuously, until the charge is the most balanced among all the batteries.
  • US 6,239,579 comprises a device for estimating the capacity of a series of batteries that define a battery pack, through a main controller (PLC).
  • the battery pack is made up of a plurality of battery modules, where each module can be connected and disconnected separately through respective charge/discharge means, depending on current parameters for the complete pack, or for each one separately.
  • PLC main controller
  • EP 0660489 shows an energy storage system, composed of a second-use battery, such that it provides an efficient use of its residual energy. It is described that there are means to check the state of the battery (such as ad hoc sensors). A plurality of energy storage units are connected to the battery, which is connected to the charge/discharge unit.
  • WO 1991/005,395 deals with a voltage control device for powering a vehicle, where two batteries, which provide said power, are charged in such a way that priority is given to the one with the lowest state of charge during charging. According to clause 2 of said document, there is a controller (comparison device) for each battery. There is also talk, in clause 3 of this document, of supplying a reference voltage.
  • Figure 1 shows an industrial testing topology
  • FIG. 2 shows a battery pack according to the invention.
  • Figure 3 shows the connection schematic for the BMS control boards.
  • Figure 4 shows a high current PCB from the battery arrays.
  • Figure 5 shows a Minion PCB, which performs data analysis on its own MCU to be sent to the Primary Controller.
  • Figure 6 shows a CAN Distribution PCB, which is a board that is responsible for carrying out the communication through the CAN BUS of the information to the primary Controller.
  • Figure 7 shows a Primary Controller, in charge of Perform correct operation and balancing of battery arrays.
  • the present invention provides a battery management system, where use is made of an inverter-type configuration connected to the grid with DC-link controllable by an intelligent battery pack, which is shown in Fig. 2.
  • an intelligent battery pack which is shown in Fig. 2.
  • the invention will deliver a main benefit to second-use batteries, it is also possible to use it with new batteries, or in combination with new batteries.
  • a second-life battery is understood to be the use of a single cell of a certain chemistry, or a battery pack that includes multiple connections in series and/or parallel between cells.
  • Each battery is connected to a Half-Bridge (HB) converter, which can be switched by Pulse Width Modulation (PWM) or simply low-frequency on-off signals.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • each cell of the second life package is monitored in terms of voltage and temperature, through a local controller that has its respective measurement hardware, a gate-driver stage to generate the HB trips, and CAN communication lines to communicate with a primary controller.
  • the parameters of the electrical and thermal model of each battery are also incorporated as part of the characterization of each one in the system.
  • the HBs do not operate as DC-DC, but are simply used to connect or disconnect each battery module. In this sense, it is not necessary to use large passive components in each of the battery modules.
  • the HBs connect or disconnect the batteries based on the control signal received by the local controller.
  • This controller makes estimates of the state of charge of each of the cells that make up the battery pack based on its measurements, to then send all these variables to a primary controller that groups the information of the entire battery storage system. .
  • This primary controller also receives an output voltage reference for the entire intelligent battery pack, that is, for the sum of the voltages connected by the HBs. Considering the state of charge, temperature of each battery and the voltage reference for the entire battery pack, the primary controller configures the HBs with a rule-based control law (expert controller) in order to balance the state of charge of the batteries and keep the maximum temperature of each of these limited.
  • the proposed system is fault tolerant, since when using HBs it allows electronically disconnecting batteries that present faults such as internal short circuits or accelerated degradation, without the need to interrupt the operation of the system.
  • the primary controller takes information on current, voltage, temperature and its SoC (State of Charge), to make predictions of the SoH (State of Health) of each battery. As indicators of the SoH, the internal resistance, the energy capacity and the maximum power of each battery are considered. These parameters can also be estimated locally on each local controller and sent to the primary controller. For this, the local controllers can consider their measurements and apply a non-linear Raiman filter.
  • these historical data can be stored in an online database, allowing predictions to be made and fault identification based on an Artificial Intelligence tool that compares historical performance with the most recent. In this way, batteries that have had or are expected to have a considerable decline in their performance (capacity, temperature, maximum power) can be identified and must be taken out of operation permanently.
  • the controller For the controller to present good performance in balancing the state of charge and temperature, it is necessary that there is redundancy in the total voltage available with the battery packs and the reference voltage for the controller. Thanks to this redundancy, the controller assigns more connection seconds to batteries with higher capacity and lower temperature at the time of discharge, in relation to batteries with lower capacity, or that have high temperatures due to their higher internal resistance. This idea is also reinforced when batteries with a bad "State of Health” and/or "State of Charge” go out of operation permanently, since another battery that was not being operated up to that moment must be entered into the system and that Thanks to redundancy, the system allows cells to be discarded without reducing the total performance of the system.
  • the system includes a number of batteries such that the sum of the nominal voltages of the battery packs is greater than to the reference voltage, that is, there are redundant voltage levels in the batteries to be able to obtain the reference voltage.
  • the invention is based on a configurable battery pack, which does not have the capacity to vary the voltage of each battery in a continuous range, but only decides whether or not each battery is directly connected to the total array.
  • the described invention refers to a management system for batteries, comprising: a primary controller; one or more battery packs, each including: a battery, each battery having a specified level of maximum charge, minimum charge, maximum current, equivalent circuit model parameters, and thermal model parameters; and means for connecting or disconnecting their respective battery; where the primary controller receives a reference voltage for the sum of the battery pack voltages; where, during system charging, the primary controller sends connect/disconnect signals to each battery set according to a priority list, where: each battery is connected if:
  • the primary controller sends connect/disconnect signals to each battery set according to a priority list, where: each battery connects if:
  • the reference voltage must be greater than or equal to the sum of the voltages of the battery packs; each battery is disconnected if:
  • the reference voltage must be less than or equal to the sum of the voltages of the battery packs.
  • the difference is defined as the subtraction between the first and second parameters.
  • each battery can be new or second life.
  • each battery pack comprises a local controller that drives the means for connecting or disconnecting the respective battery.
  • the means for connecting or disconnecting the respective battery is a half bridge.
  • the half bridge can be switched by Pulse Width Modulation (PWM).
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the half bridge is switched by low frequency on and off signals.
  • the primary controller takes information on current, voltage, temperature and its SoC (State of Charge), to make predictions of the SoH (State of Health) of each battery. ; where, as indicators of the SoH, the internal resistance, energy capacity and maximum power of each battery.
  • historical data is stored in an online database, allowing predictions and failure identification using an Artificial Intelligence tool that compares historical performance with the most recent.
  • the historical data identifies batteries that have had, or are expected to have, a significant decline in performance (capacity, temperature, peak power) and must be taken out of operation permanently.
  • the SoH flags are estimated locally on each local controller and sent to the primary controller.
  • each local controller considers its measurements and applies a non-linear Raiman filter.
  • the redundant voltage levels in the batteries in order to obtain the reference voltage, are obtained by adding the nominal voltages of the battery sets that are greater than the reference voltage.
  • the nominal voltage is a parameter defined at the beginning, for each battery.
  • FIG. 1 shows the complete end-to-end system. Where its different components are described below:
  • Modular SLBESS (100): It consists of the main component, and it is where the active balancing of the different batteries occurs. This is done from the BMS system, which will be described in detail below.
  • Grid Connected Inverter 200 - Grid Connected Inverter: It consists of a single-phase or three-phase commercial inverter.
  • Isolation Transformer and Filter in L 300 - L-filter and isolation transformer: It consists of a current filter and transformer that allows the device to be isolated from the network and raise the voltage or reduce it if necessary, these components are can be obtained commercially.
  • L 300 - L-filter and isolation transformer
  • the system is made up of 4 devices, listed below:
  • the board (1) ( Figure 3), considers the connection of an array of N cells, depending on the resolution required, where the most positive terminal is connected to CELL+ and the most negative to CELL- .
  • CELL_OUT is the positive terminal of the final array of cells and together with the negative terminal of the first board (1), they energize the given power converter. Its schematic is in Figure 4.
  • the board (2) is connected to the board (1) ( Figure 3) and also to the points between cells arranged during the fabrication of the N-cell array. Its schematic is in Figure 5.
  • the board (3) can be considered an expansion board that allows the connection of boards (2) to be extended to the CAN bus controlled by the board (4). Its schematic is in Figure 6.
  • the board (4) fulfills the control of the BMS system through the CAN_A bus, however, it receives commands from a supervisory system through the CAN_B bus for the execution of its functionalities.
  • the CAN_A bus is connected to the first board (3).

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Abstract

Un sistema de gestión para baterías, que comprende: un controlador primario; uno o más conjuntos de batería, que incluye, cada uno: una batería, en donde cada batería posee un nivel específico de carga máxima, de carga mínima, de corriente máxima, los parámetros del modelo de circuito equivalente y los parámetros del modelo térmico; y unos medios para conectar o desconectar su batería respectiva.

Description

UN SISTEMA DE GESTIÓN PARA BATERÍAS
CAMPO DE LA INVENCION
La presente invención se relaciona con un sistema de gestión para baterías, principalmente para baterías heterogéneas de segundo uso.
DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
En la actualidad, existe una creciente preocupación mundial por reducir la dependencia de los combustibles fósiles mediante la promoción de fuentes de energía renovables no convencionales (ERN), como la energía solar fotovoltaica y la energía eólica. Esta tendencia se lleva a cabo no sólo por la capacidad de las ERN reducir las emisiones de carbono, sino también por su capacidad de generar proyectos rentables. La naturaleza intermitente de las ERN y los nuevos tipos de cargas imprevisibles, como las estaciones de carga de vehículos eléctricos (EV), las fuentes de alimentación conmutadas, iluminación LED, entre otros, han planteado nuevos retos técnicos para la estabilidad de la red y su funcionamiento. Estos retos se deben al desajuste energético temporal entre la generación y el consumo locales, que puede afectar a la calidad de la energía de la red, es decir, a la capacidad del sistema eléctrico para crear un suministro de energía ideal con una forma de onda sinusoidal pura y sin ruido. La mala calidad de la energía provoca perturbaciones en el flujo de energía a través de las líneas de transmisión, aumentando las pérdidas de energía y condicionando la continuidad del servicio en los casos más graves. Como consecuencia, se necesitan importantes reservas de funcionamiento para satisfacer la demanda en caso de disminuciones repentinas de la producción de las ERN, lo que provoca un aumento del coste operativo y de la complejidad de la red eléctrica.
También se puede ver un fuerte impacto a la infraestructura de distribución ya que, como una alternativa a tener que cambiar todos los cableados urbanos para suplir la demanda de EVs, los BESS permiten retrasar la inversión en infraestructura.
Algunos de los problemas de calidad de la energía que se esperan asociados a una alta penetración de las ERN son la fluctuación del voltaje, el flujo de potencia reactiva, la inyección de armónicos y las corrientes de neutro excesivas.
Una solución para mejorar la estabilidad de la red a pesar de los altos niveles de penetración de las ERN es utilizar sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Los BESS pueden prestar múltiples servicios a los operadores de la red, los generadores distribuidos, los minoristas de energía y los consumidores. De hecho, pueden suavizar la potencia de salida de las fuentes de energía renovables, proporcionar reservas de energía, permitir el arbitraje de energía y recortar el consumo en horario punta.
A pesar de los beneficios técnicos que pueden obtenerse incorporando BESS a la red, el elevado coste de inversión de las nuevas baterías sigue siendo una barrera importante que limita la integración masiva de BESS y RES. Por ello, el desarrollo de proyectos rentables en la actualidad es un reto si no se incrementan los precios de la energía o se crean nuevas remuneraciones por servicios auxiliares. Por lo tanto, la viabilidad económica de los BESS no está clara para los próximos años.
Por otro lado, el mundo ha iniciado una revolución en la electrificación del transporte, en la que el mercado de los vehículos eléctricos ha mostrado un crecimiento exponencial en los últimos años. La primera vida útil de las baterías de estos VE se considerará terminada cuando su capacidad de almacenar energía alcance entre el 70% y el 80% de su valor nominal. Esta capacidad restante, junto con la alta densidad energética y la larga vida útil de las baterías de iones de Litio, hace que las futuras baterías descartadas sean atractivas para su uso en una aplicación de almacenamiento de segunda vida.
Los costos de las baterías de segunda vida son significativamente más bajos que los de las nuevas, mientras que siguen conservando la mayor parte de sus capacidades de rendimiento. En consecuencia, estas baterías tienen el potencial de superar la barrera del elevado costo de inversión de los BESS y acelerar la integración masiva de las ERN. El reto de crear sistemas de almacenamiento de baterías de segunda vida (SLBESS) de alta potencia, está relacionado con el hecho de que una manipulación incorrecta de las baterías puede llevar a un uso ineficiente de la energía almacenada disponible o incluso a la incineración o explosión de un paquete de baterías en los casos más graves.
Se ha observado que en el arte previo se muestran diferentes sistemas de gestión de baterías, las cuales consideran la búsqueda del equilibrio entre diferentes baterías, que pueden tener diferentes estados de carga, voltajes y temperaturas, al tiempo que se garantiza un voltaje de salida. Por ejemplo, el documento US 9,496,730 versa sobre un BMS (Battery Management System), que incluye un controlador maestro, una pluralidad de módulos de batería, en donde cada módulo monitorea voltaje y temperatura, entre otras variables. La patente americana US 9,368,991 describe un sistema de baterías compuestos por N módulos de baterías, en donde cada módulo tiene su propia batería y su propio controlador.Además, el sistema contiene un controlador general que regula el voltaje del sistema completo, en donde los módulos están conectados en un arreglo de N módulos en serie, tal que el voltaje total es la suma de los voltajes de los módulos. El sistema recibe un voltaje de referencia, el que luego se divide entre los N módulos, entregando así un voltaje de referencia individual para cada módulo. En una modalidad de este invento, se controla el estado de carga de batería por medio de convertidores de voltaje dc-dc, que pueden llevar la carga desde una conexión completa, hasta una desconexión completa. Además, se dice que se puede prevenir el sobrecalentamiento por temperatura de cada batería, por medio de dichos convertidores. El ciclo de descarga, similarmente, se controla por medio del control de la corriente.
US 9,222,985 muestra un aparato para gestionar un sistema de baterías, que incluye una pluralidad de módulos de baterías conectadas en series, tal que se mide el rendimiento de cada módulo, en donde se desconecta cada módulo si su rendimiento es inferior a un rendimiento de referencia. Se dice que, si una batería está muy por debajo de otras, se considera como degradada, y se desconecta de la serie. En particular, también se menciona que la temperatura podría considerarse para desconectar un módulo. US 2012/0256593 describe un sistema para gestionar la carga de diferentes baterías. Se menciona el problema que se da al conectar múltiples baterías con diferentes capacidades, de donde la carga se logra sólo hasta el voltaje máximo de una de las baterías, mientras que la descarga está limitada al voltaje mínimo de una de las baterías. La solución propuesta es la cargar mediante una corriente a una serie de baterías dispuestas en serie, corriente que se detiene cuando se alcanza el voltaje máximo de la batería con menor voltaje máximo. Luego, un circuito se encarga de terminar la carga para las otras baterías, hasta que se pueda obtener una carga máxima en todas, de ser posible. Otro circuito verifica los estados de carga de cada batería continuamente, hasta lograr que la carga sea lo más equilibrada entre todas las baterías.
US 6,239,579 comprende un dispositivo para estimar la capacidad de una serie de baterías que definen un paquete de baterías, a través de un controlador principal (PLC). El paquete de baterías está compuesto por una pluralidad de módulos de baterías, en donde cada módulo puede ser conectado y desconectado de forma separada a través de medios de carga/descarga respectivos, en función de parámetros de corriente para el paquete completo, o por cada uno por separado. Dicho sistema considera aislar una batería, si es que no satisface un umbral de capacidad. Por último, también se dice que, si una batería tiene menor capacidad de carga, se aísla hasta que el resto llega a su capacidad de carga, y se reconecta.
EP 0660489 muestra un sistema de almacenamiento de energía, compuesto por una batería de segundo uso, tal que proporciona un eficiente uso de su energía residual. Se describe que hay medios para verificar el estado de la batería (tal como sensores ad hoc). Una pluralidad de unidades de almacenamiento de energía se conecta a la batería, la que está conectada a la unidad de carga/descarga.
WO 1991/005,395 trata de un dispositivo de control del voltaje para alimentar un vehículo, en donde dos baterías, que proporcionan dicha alimentación, se cargan de tal forma que se dé prioridad a la de menor estado de carga durante la carga. De acuerdo a la cláusula 2 de dicho documento, hay un controlador (dispositivo de comparación) para cada batería. También se habla, en la cláusula 3 de este documento, de suministrar un voltaje de referencia.
Por tanto, se ha observado que existe la necesidad, entre otras cosas, de proporcionar un sistema de gestión para baterías, que optimice la operación eficiente en baterías de distinta carga. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra una topología de testeo industrial.
La Figura 2 muestra un paquete de baterías según la invención.
La Figura 3 muestra el esquemático de conexión de placas en control de BMS.
Figura 4 muestra un PCB de alta corriente de los arreglos de baterías.
Figura 5 muestra un PCB Minion, que realiza el análisis de datos en un MCU propio para ser enviados al Controlador primario. Figura 6 muestra un PCB de Distribución de CAN, que es una placa que se encarga de realizar la comunicación mediante el BUS CAN de la información al Controlador primario.
Figura 7 muestra un Controlador Primario, encargado de realizar un correcto funcionamiento y balanceo de arreglos de baterías .
DESCRIPCIÓN DE TALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un sistema de gestión para baterías, en donde se hace uso de una configuración tipo inversor conectado a la red con DC-link controlable mediante un paquete de baterías inteligente, lo que se muestra en la Fig. 2. Aunque la invención entregará un beneficio principal a las baterías de segundo uso, también es posible usarla con baterías nuevas, o en combinación con baterías nuevas.
Se entenderá por batería de segunda vida el uso de una única celda de determinada química, o bien un paquete de baterías que incluya múltiples conexiones en serie y/o paralelo entre celdas.
Cada batería es conectada a un convertidor tipo Half-Bridge (HB o Medio Puente), el cual puede ser conmutado mediante modulación de ancho de pulsos (PWM por siglas en inglés) o simplemente señales de encendido y apagado de baja frecuencia. Además, cada celda del paquete de segunda vida es monitoreada en cuanto a voltaje y temperatura, mediante un controlador local que cuenta con su hardware de medición respectivo, etapa de gate- driver para generar los disparos de los HB y con líneas de comunicación CAN para comunicarse con un controlador primario. Los parámetros del modelo eléctrico y térmico de cada batería se incorporan también como parte de la caracterización de cada una en el sistema.
Es importante mencionar que los HB no operan como DC-DC, sino que son utilizados simplemente para conectar o desconectar cada módulo de baterías. En este sentido, no es necesario el uso de grandes componentes pasivos en cada uno de los módulos de baterías.
Los HB conectan o desconectan las baterías en función a la señal de control recibida por el controlador local. Este controlador realizada estimaciones del estado de carga de cada una de las celdas que conforma el paquete de baterías en base a sus mediciones, para luego hacer envío de todas estas variables a un controlador primario que agrupa la información de todo el sistema de almacenamiento de baterías.
Este controlador primario recibe además una referencia un voltaje de salida para todo el paquete de baterías inteligente, es decir, para la suma de los voltajes conectados por los HB. Considerando el estado de carga, temperatura de cada batería y la referencia de voltaje para todo el paquete de baterías, el controlador primario configura los HB con una ley de control basada en reglas (controlador experto) con el fin de balancear el estado de carga de las baterías y mantener acotada la temperatura máxima de cada una de estas. Además, el sistema propuesto es tolerante a fallas, dado que al utilizar los HB permite desconectar electrónicamente las baterías que presenten fallas tales como cortocircuitos internos o degradación acelerada, sin necesidad de interrumpir la operación del sistema.
A partir de cada ciclo de carga y descargas de las baterías, el controlador primario toma información de corriente, voltaje, temperatura y su SoC (Estado de Carga), para realizar predicciones del SoH (Estado de Salud) de cada batería. Como indicadores del SoH se considera la resistencia interna, la capacidad de energía y de potencia máxima de cada batería. Estos parámetros también pueden ser estimados de forma local en cada controlador local y enviados al controlador primario. Para esto los controladores locales pueden considerar sus mediciones y aplicar un filtro de Raiman no lineal.
Además, estos datos históricos pueden ser almacenados en una base de datos en linea, permitiendo realizar predicciones e identificar fallas a partir de una herramienta de Inteligencia Artificial que compara el desempeño histórico con el más reciente. De este modo, se pueden identificar las baterías que han tenido o se espera tengan una decadencia considerable en su rendimiento (capacidad, temperatura, potencia máxima) y deben ser sacadas de operación de manera permanente.
Para que el controlador presente buen desempeño en el balanceo de estado de carga y temperatura, es necesario que exista redundancia en el voltaje total disponible con los paquetes de baterías y el voltaje de referencia para el controlador. Gracias a esta redundancia, el controlador asigna más segundos de conexión a las baterías con mayor capacidad y menor temperatura al momento de la descarga, en relación a las baterías de menor capacidad, o que cuenten con alta temperatura dado a su mayor resistencia interna. Esta idea se refuerza también, cuando baterías con mal "Estado de salud" y/o "Estado de Carga" salen de manera permanente de operación, ya que se debe ingresar otra batería que no estaba siendo operada hasta ese momento en el sistema y que gracias a la redundancia el sistema permite ir descartando celdas sin que disminuya el rendimiento total del sistema.
Esto se logra asegurando que, dado un voltaje de referencia deseado, el sistema incluye una cantidad de baterías tal que, la suma de los voltajes nominales de los conjuntos de batería es mayor al voltaje de referencia, es decir, se cuenta con niveles de voltaje redundantes en las baterías para poder obtener el voltaje de referencia.
La invención se basa en un paquete de baterías configurable, que no tiene capacidad de variar el voltaje de cada batería en un rango continuo, sino que tan sólo decide si se conecta o no directamente cada batería al arreglo total.
En particular, el invento descrito se refiere a un sistema de gestión para baterías, que comprende: un controlador primario; uno o más conjuntos de batería, que incluye, cada uno: una batería, en donde cada batería posee un nivel específico de carga máxima, de carga mínima, de corriente máxima, los parámetros del modelo de circuito equivalente y los parámetros del modelo térmico; y unos medios para conectar o desconectar su batería respectiva; en donde el controlador primario recibe un voltaje de referencia para la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; en donde, durante la carga del sistema, el controlador primario envía señales de conexión/desconexión a cada conjunto de batería de acuerdo con una lista de prioridad, en donde: cada batería se conecta si se cumple que:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es mayor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura está por debajo de su temperatura de umbral operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia es mayor a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; cada batería se desconecta si se cumple una de las dos condiciones:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es menor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura supera su temperatura máxima de operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser menor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; en donde, durante la descarga del sistema, el controlador primario envía señales de conexión/desconexión a cada conjunto de batería de acuerdo con una lista de prioridad, en donde: cada batería se conecta si:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es menor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura está por debajo de su temperatura de umbral operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser mayor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; cada batería se desconecta si:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es mayor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura supera su temperatura máxima de operación .
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser menor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería.
La diferencia se define como la resta entre el primer y el segundo parámetro.
Preferiblemente, cada batería puede ser nueva o de segunda vida. En una modalidad, cada conjunto de batería comprende un controlador local que acciona los medios para conectar o desconectar la batería respectiva.
En otra modalidad, los medios para conectar o desconectar la batería respectiva son un medio puente. Preferiblemente, el medio puente puede ser conmutado mediante modulación de ancho de pulsos (PWM por siglas en inglés)
Aún más preferiblemente, el medio puente es conmutado mediante señales de encendido y apagado de baja frecuencia.
En otra modalidad, a partir de cada ciclo de carga y descargas de las baterías, el controlador primario toma información de corriente, voltaje, temperatura y su SoC (Estado de Carga), para realizar predicciones del SoH (Estado de Salud) de cada batería; en donde, como indicadores del SoH se considera la resistencia interna, la capacidad de energía y de potencia máxima de cada batería.
Preferiblemente, los datos históricos son almacenados en una base de datos en línea, permitiendo realizar predicciones e identificar fallas a partir de una herramienta de Inteligencia Artificial que compara el desempeño histórico con el más reciente.
Aún más preferiblemente, los datos históricos se identifican las baterías que han tenido, o se espera que tengan, una decadencia considerable en su rendimiento (capacidad, temperatura, potencia máxima) y deben ser sacadas de operación de manera permanente.
Además, además o en vez del controlador primario, los indicadores del SoH son estimados de forma local en cada controlador local y enviados al controlador primario.
Preferiblemente, cada controlador local considera sus mediciones y aplica un filtro de Raiman no lineal.
En una modalidad de la invención, los niveles de voltaje redundantes en las baterías, para poder obtener el voltaje de referencia, se obtiene mediante la suma de los voltajes nominales de los conjuntos de batería es mayor al voltaje de referencia. En donde el voltaje nominal es un parámetro definido al inicio, para cada batería.
Sin que implique ninguna restricción para la invención, y con el fin meramente ilustrativo, se muestra un ejemplo de algunas partes y procesos de la invención. Ejemplo
El ejemplo a continuación presenta en detalle una posible implementación del sistema, junto con los diagramas y descripción del sistema BMS y los componentes que permiten reproducir el invento por un experto en el tema.
En la Figura 1. Se muestra el sistema completo end-to-end. Donde sus diferentes componentes se describen a continuación:
Modular SLBESS (100): Consiste en el principal componente, y es donde ocurre el balanceo activo de las diferentes baterías. Esto se hace a partir del sistema BMS, que se describirá a detalle a continuación
Inversor Conectado a la Red (200 - Grid Connected Inverter): Consiste en un inversor comercial monofásico o trifásico. Transformador de Aislamiento y Filtro en L (300 - L-filter and ísolatíon transformer): Consiste en un filtro para la corriente y transformador que permite aislar el dispositivo de la red y elevar el voltaje o reducirlo en caso de ser necesario, estos componentes se pueden conseguir de manera comercial. En la Figura 2. Encontramos un acercamiento al punto central del sistema, en que se tiene un arreglo de N baterías conectadas a un HB, y donde cada HB está conectado a un Controlador Local (500) que toma como parámetros el voltaje del arreglo, voltaje de cada celda, corriente y temperatura, luego procesa esta información dentro del Controlador Local (500) mediante un microcontrolador y se envía a través de un BUS CAN al Controlador Primario (400), que realiza el balanceo de los diferentes arreglos de baterías.
En concreto, el sistema está compuesto por 4 dispositivos, enumerados a continuación:
PCB de Alta Corriente (600).
PCB Minion (700).
PCB de Distribución de CAN (800). Controlador Primario (400).
Interconectados como lo muestra la Figura 3. Y se explican a detalle a continuación. De ahora en adelante los números de la forma placa (#) serán referenciados a los números expuestos en la Figura 3.
1.1 PCB de Alta Corriente (600):
La placa (1) (Figura 3), considera la conexión de un arreglo de N celdas, dependiendo de la resolución que se requiera, donde el terminal más positivo se conecta a CELL+ y el más negativo a CELL- . En el caso de la última placa (1), CELL_OUT es el terminal positivo del arreglo final de celdas y junto con el terminal negativo de la primera placa (1), energizan el conversor de potencia determinado. Su esquemático se encuentra en la Figura 4.
1.2 PCB Minion (700): La placa (2) se conecta a la placa (1) (Figura 3) y también a los puntos entre celdas dispuestos durante la fabricación del arreglo de N celdas. Su esquemático se encuentra en la Figura 5.
1.3 PCB de Distribución de CAN (800):
La placa (3) se puede considerar una placa de expansión que permite ampliar la conexión de placas (2) al bus CAN controlado por la placa (4). Su esquemático se encuentra en la Figura 6.
1.4 Controlador Primario (400):
La placa (4) cumple el control del sistema BMS a través del bus CAN_A, sin embargo, esta recibe comandos desde un sistema supervisor a través del bus CAN_B para la ejecución de sus funcionalidades. El bus CAN_A va conectado a la primera placa (3).
Además, permite la conexión de un sensor de corriente, asi como la medición del voltaje entre los terminales de un arreglo. También permite el control de un relé para desconectar los ventiladores del sistema. Su esquemático está en la Figura 7.
Cualquier experto en el arte notará que múltiples variaciones de la presente invención pueden realizarse, y que las realizaciones detalladas sólo son una ejemplificación de lo anterior. Pueden variarse dimensiones y materiales. También serian posibles otras formas que resulten en el mismo concepto inventivo.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de gestión para baterías, caracterizado porque comprende: un controlador primario; uno o más conjuntos de batería, que incluye, cada uno: una batería, en donde cada batería posee un nivel específico de carga máxima, de carga mínima, de corriente máxima, los parámetros del modelo de circuito equivalente y los parámetros del modelo térmico; y unos medios para conectar o desconectar su batería respectiva; en donde el controlador primario recibe un voltaje de referencia para la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; en donde, durante la carga del sistema, el controlador primario envía señales de conexión/desconexión a cada conjunto de batería de acuerdo con una lista de prioridad, en donde: cada batería se conecta si se cumple que:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es mayor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura está por debajo de su temperatura de umbral operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia es mayor a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; cada batería se desconecta si se cumple una de las dos condiciones:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es menor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura supera su temperatura máxima de operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser menor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; en donde, durante la descarga del sistema, el controlador primario envía señales de conexión/desconexión a cada conjunto de batería de acuerdo con una lista de prioridad, en donde: cada batería se conecta si:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es menor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y el estado de carga de cada otra batería;
• su temperatura está por debajo de su temperatura de umbral operación;
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser mayor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería; cada batería se desconecta si:
• la diferencia entre el promedio del estado de carga de todas las baterías y su estado de carga es mayor a las diferencias del promedio del estado de carga de todas las baterías y estado de carga de cada otra batería; • su temperatura supera su temperatura máxima de operación.
• además, es necesario que el voltaje de referencia debe ser menor o igual a la suma de los voltajes de los conjuntos de batería.
2. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizado porque cada batería puede ser nueva o de segunda vida.
3. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada conjunto de batería comprende un controlador local que acciona los medios para conectar o desconectar la batería respectiva.
4. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios para conectar o desconectar la batería respectiva son un medio puente.
5. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 4, caracterizado porque el medio puente puede ser conmutado mediante modulación de ancho de pulsos (PWM por siglas en inglés)
6. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 4, caracterizado porque el medio puente es conmutado mediante señales de encendido y apagado de baja frecuencia.
7. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, a partir de cada ciclo de carga y descargas de las baterías, el controlador primario toma información de corriente, voltaje, temperatura y su SoC (Estado de Carga), para realizar predicciones del SoH (Estado de Salud) de cada batería; en donde, como indicadores del SoH se considera la resistencia interna, la capacidad de energía y de potencia máxima de cada batería.
8. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 7, caracterizado porque los datos históricos son almacenados en una base de datos en línea, permitiendo realizar predicciones e identificar fallas a partir de una herramienta de Inteligencia Artificial que compara el desempeño histórico con el más reciente.
9. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 8, caracterizado porque los datos históricos se identifican las baterías que han tenido, o se espera que tengan, una decadencia considerable en su rendimiento (capacidad, temperatura, potencia máxima) y deben ser sacadas de operación de manera permanente.
10. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 7, caracterizado porque, además o en vez del controlador primario, los indicadores del SoH son estimados de forma local en cada controlador local y enviados al controlador primario.
11. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a la reivindicación 10, caracterizado porque cada controlador local considera sus mediciones y aplica un filtro de Raiman no lineal.
12. El sistema de gestión para baterías de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los niveles de voltaje redundantes en las baterías, para poder obtener el voltaje de referencia, se obtiene mediante la suma de los voltajes nominales de los conjuntos de batería es mayor al voltaje de referencia.
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