ES2886102T3 - Aparato y método para controlar la energía para una batería secundaria - Google Patents
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Abstract
Un aparato de control de energía para proteger una batería secundaria del sobrecalentamiento que comprende: una unidad de detección (30) configurada para medir la temperatura de una celda de batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de batería y una corriente de carga; una unidad de ajuste (40) configurada para ajustar la energía suministrada desde la celda de la batería a una carga (20); y una unidad de control (50) configurada para: - estimar una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de batería basándose en la temperatura de la celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda y la corriente de carga medida por la unidad de detección, utilizando la Ecuación 1: **(Ver fórmula)** m: masa de la celda de batería (kg) Cp: calor específico de la celda (J/kg·K) T: temperatura de la celda (°C) t: tiempo k: factor de reducción I: corriente (A) Rcelda: resistencia interna de la celda (Ω) Tambiente: temperatura del aire exterior alrededor de la celda (°C) Rth_ambiente: resistencia térmica entre celda y el ambiente (K/W); - analizar la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada de la celda y determinar si la temperatura futura de la celda de la batería diverge o converge, en donde la unidad de control está configurada además para, cuando se determina que la temperatura futura converge a una temperatura de convergencia (Tsat): - calcular un tiempo de convergencia (Δtsat) requerido para que la temperatura de la celda de batería converja utilizando la Ecuación 1; - cuando la temperatura de convergencia de la celda de batería es superior o igual a una temperatura límite (Tlímite) y el tiempo de convergencia es menor o igual a un tiempo de referencia (Δtref), controlar la unidad de ajuste para reducir la energía suministrada desde la celda de la batería a la carga; y - cuando la temperatura de convergencia de la celda de la batería es menor que la temperatura límite o el tiempo de convergencia excede el tiempo de referencia, no proceder con la reducción de energía de la celda de batería.
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato y método para controlar la energía para una batería secundaria
Campo técnico
La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente de Corea N.° 10-2014-0184813 presentada en la República de Corea el 19 de diciembre de 2014.
La presente divulgación se refiere a un aparato y método para controlar la energía para una batería secundaria, y más particularmente, a un aparato y método para controlar la energía mediante el cual se estima una temperatura futura de una batería secundaria y se reduce selectivamente la salida de la batería secundaria de acuerdo con un resultado de la estimación.
Antecedentes de la técnica
A diferencia de una batería primaria desechable, una batería secundaria se denomina batería recargable y tiene una amplia gama de aplicaciones que incluyen, por ejemplo, dispositivos electrónicos, tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y videocámaras o vehículos eléctricos. Además, se está utilizando una batería secundaria como fuente de energía de los automóviles porque no produce contaminación atmosférica y se puede utilizar durante un largo período de tiempo.
Sin embargo, una batería secundaria tiene características consistentes en que la temperatura aumenta debido a la generación de calor de la batería durante la carga o la descarga y la vida se reduce cuando se expone a altas temperaturas durante un período prolongado.
De acuerdo con tales características, un paquete de batería secundaria montado en un vehículo descarga el calor generado por una batería utilizando un sistema de enfriamiento montado por separado para mantener la temperatura de la batería secundaria por debajo de una temperatura predeterminada.
Sin embargo, el método de montar adicionalmente el sistema de enfriamiento se convierte en un factor que hace que aumente el coste del paquete de baterías secundario y tiene un problema relacionado con un aumento en el tamaño de un sistema de baterías.
Otras técnicas antecedentes se describen en el documento US 2010/324765; Hazima Faezaa et al., "Simplified Heat Generation Model for Lithium ion battery used in Electric Vehicle", en Materials Science and Engineering, vol. 53, 20 de diciembre de 2013; Onda et al., "Thermal behavior of small lithium-ion battery during rapid charge and discharge cycles", J. Power Sources, vol. 158, 1 de julio de 2006; el documento EP 1968151.
Divulgación
Problema técnico
Para resolver el problema de la técnica relacionada, la presente divulgación está dirigida a proporcionar un aparato y un método para controlar la energía de una batería secundaria para proteger la batería secundaria del sobrecalentamiento mediante el control de energía de la batería secundaria sin montar un sistema de enfriamiento separado.
Además, la presente divulgación está dirigida a proporcionar un aparato y un método para controlar la energía para una batería secundaria mediante los cuales se estima un cambio de temperatura de una batería secundaria y se evita un fenómeno de sobrecalentamiento de la batería secundaria de acuerdo con un resultado de la estimación.
Estos y otros objetos y ventajas de la presente divulgación se pueden entender a partir de la siguiente descripción detallada y resultarán más evidentes a partir de las formas de realización a modo de ejemplo de la presente divulgación. Además, se entenderá fácilmente que los objetos y ventajas de la presente divulgación se pueden realizar mediante los medios mostrados en las reivindicaciones adjuntas y combinaciones de los mismos.
Solución técnica
Para lograr los objetos anteriores, se proporcionan un aparato de control de energía y un método de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
El aparato de control de energía de acuerdo con un aspecto de la presente divulgación incluye una unidad de detección configurada para medir la temperatura de una celda de la batería, una temperatura del aire exterior alrededor de la celda de la batería y una corriente de carga, una unidad de ajuste configurada para ajustar la energía suministrada por la celda de batería a una carga, y una unidad de control configurada para estimar un cambio de temperatura futuro de la celda de la batería en función de la temperatura de la celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda y la corriente de carga medida por la unidad de detección, analizan el cambio de temperatura futuro estimado de la celda y controlan la unidad de ajuste para reducir la energía suministrada desde la celda de la batería
a la carga cuando se estima que la temperatura de la celda de la batería aumentará por encima de una temperatura límite durante un tiempo de referencia preestablecido.
La unidad de control estima un cambio de temperatura futuro de la celda de batería utilizando la Ecuación 1.
La unidad de control analiza el cambio de temperatura futuro estimado de la celda de la batería, cuando se determina que la temperatura futura de la celda de la batería converge, calcula un tiempo de convergencia requerido para que la temperatura de la celda de la batería converja utilizando la Ecuación 1, y cuando la temperatura de convergencia de la celda de la batería es superior o igual a la temperatura límite y el tiempo de convergencia es menor o igual que el tiempo de referencia, controla la unidad de ajuste para reducir la energía suministrada desde la celda de la batería a la carga.
Por otro lado, la unidad de control no puede proceder con la reducción de energía de la celda de la batería cuando la temperatura de convergencia de la celda de la batería es menor que la temperatura límite o el tiempo de convergencia excede el tiempo de referencia.
Además, la unidad de control puede analizar el cambio de temperatura futuro estimado de la celda de la batería, cuando se determina que la temperatura futura de la celda de la batería diverge, calcular un tiempo de alcance requerido para que la celda de la batería alcance la temperatura límite utilizando la Ecuación 1, y cuando el tiempo de alcance calculado es menor o igual que el tiempo de referencia, controlar la unidad de ajuste para reducir la energía suministrada desde la celda de la batería a la carga.
Es posible que la unidad de control no proceda con la reducción de energía de la celda de la batería cuando el tiempo de alcance excede el tiempo de referencia.
La unidad de control puede calcular un factor de reducción que permite que la temperatura de la celda de la batería alcance un nivel predeterminado de la temperatura límite para el tiempo de referencia mediante el uso de la Ecuación 1, determinar una cantidad de energía para reducir según el factor de reducción y controlar la unidad de ajuste.
Para conseguir los objetos anteriores, el método de control de energía de acuerdo con otro aspecto de la presente divulgación incluye medir la temperatura de una celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de la batería y una corriente de carga, estimar un cambio de temperatura futuro de la celda de la batería basado en la temperatura medida de la celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda y la corriente de carga, determinar si la temperatura de la celda de la batería aumenta por encima de una temperatura límite durante un tiempo de referencia preestablecido, analizar el cambio de temperatura futuro estimado de la celda de la batería, y reducir la energía de salida de la celda de la batería cuando se determina que la temperatura de la celda de la batería aumenta por encima de la temperatura límite durante el tiempo de referencia como resultado de la determinación.
Efectos ventajosos
La presente divulgación tiene la ventaja de que se controla la salida de una batería secundaria para mantener la temperatura de la batería secundaria por debajo del rango de una temperatura límite antes de que se produzca el sobrecalentamiento de la batería secundaria, evitando así un fenómeno en el que la vida útil y el rendimiento de la batería secundaria se degraden debido al sobrecalentamiento.
Además, la presente divulgación tiene un efecto sobre el mantenimiento de la temperatura de la batería secundaria por debajo de la temperatura límite sin tener un dispositivo separado, tal como un sistema de refrigeración.
Además, la presente divulgación tiene un efecto sobre la estimación precisa del sobrecalentamiento de la batería secundaria a través de un algoritmo de estimación de temperatura.
Descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos ilustran realizaciones preferidas de la presente divulgación y, junto con la divulgación anterior, sirven para proporcionar una mayor comprensión de la enseñanza técnica de la presente divulgación. Sin embargo, la presente divulgación no debe interpretarse como limitada a los dibujos.
La FIG. 1 es un diagrama que muestra la configuración de un aparato para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La FIG. 2 es un diagrama de flujo esquemático que muestra un método para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
La FIG. 3 es un gráfico de simulación que muestra un cambio de temperatura en una celda de batería a la que se aplica un método para controlar la energía de acuerdo con la presente divulgación y un cambio de temperatura en una celda de batería tradicional.
Descripción detallada para poner en práctica la invención
A continuación, se describirá en detalle la presente divulgación. Debe entenderse que los términos utilizados en la especificación y las reivindicaciones adjuntas no deben ser interpretados como limitados a los significados generales y de diccionario, sino que se deben interpretar en base a los significados y conceptos correspondientes a los aspectos técnicos de la presente divulgación sobre la base del principio de que el inventor puede definir los términos de manera apropiada para obtener la mejor explicación. Por lo tanto, la descripción propuesta en este documento es solo un ejemplo preferido con el propósito de ilustrar únicamente, sin la intención de limitar el alcance de la divulgación, por lo que se debe entender que se podrían realizar otros equivalentes y modificaciones respecto al mismo siempre que estén dentro del alcance de la divulgación.
La FIG. 1 es un diagrama que muestra la configuración de un aparato para controlar la energía para una batería secundaria según una realización de la presente divulgación.
Como se muestra en la FIG. 1, el aparato para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con una realización preferida de la presente divulgación incluye una celda de batería 10, una carga 20, una unidad de detección 30, una unidad de ajuste 40 y una unidad de control 50.
La celda de batería 10 suministra energía a la carga 20. La celda de batería 10 incluye al menos una celda, y no está limitada a un tipo particular e incluye baterías recargables, por ejemplo, baterías de iones de litio, baterías de metal de litio, baterías de polímero de litio, baterías de níquel-cadmio, baterías de níquel-hidrógeno, baterías de níquel-zinc y baterías de almacenamiento de plomo.
La carga 20 no se limita a un tipo particular e incluye dispositivos electrónicos portátiles tales como cámaras de video, teléfonos móviles, PC portátiles, PMP y reproductores MP3, motores para vehículos eléctricos o vehículos híbridos y convertidores de CC a CC.
La unidad de detección 30 incluye un primer sensor de temperatura 31 para medir la temperatura de la celda de batería 10, un segundo sensor de temperatura 32 para medir la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de batería y un sensor de corriente 33 para medir una corriente eléctrica de la carga 20. El primer sensor de temperatura 31 mide periódicamente la temperatura de la celda de la batería 10 y la transmite a la unidad de control 50. Además, el segundo sensor de temperatura 32 mide periódicamente la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de la batería y la transmite a la unidad de control 50. Además, el sensor de corriente 33 mide periódicamente una corriente eléctrica en la carga 20 y la transmite a la unidad de control 50.
La unidad de ajuste 40 ajusta la cantidad de energía suministrada desde la celda de batería 10 a la carga 20 bajo el control de la unidad de control 50. La unidad de ajuste 40 puede incluir un elemento variable que cambia el nivel de voltaje suministrado desde la celda de batería 10, y la unidad de control 50 puede controlar el suministro de energía procedente de la celda de batería 10 controlando el elemento variable incluido en la unidad de ajuste 40.
La unidad de control 50 estima un cambio de temperatura de la celda de batería 10 en base a los datos de detección obtenidos de la unidad de detección 30, determina si reducir el suministro de energía procedente de la celda de batería 10 en base al cambio de temperatura, y cuando se determina la reducción de energía, controla la unidad de ajuste 40 para reducir el suministro de energía procedente de la celda de batería 10. Específicamente, la unidad de control 50 estima un cambio de temperatura futuro de la celda de batería 10 a lo largo del tiempo sustituyendo los datos detectados a través de la unidad de detección 30 por la siguiente Ecuación 1, y determina si la temperatura futura de la celda de batería 10 diverge o converge en función de una tendencia de cambio de temperatura.
m: masa de la celda de la batería (kg)
Cp : calor específico de la celda (J/kgK)
T : temperatura de la celda (°C)
t: tiempo
k: factor de reducción
I: corriente (A)
Rcelda: resistencia interna de la celda (D)
Tambiente: temperatura del aire exterior alrededor de la celda (°C)
Rth_ambiente: resistencia térmica entre celda y el entorno (K/W)
La Ecuación 1 es una ecuación de equilibrio de energía, y la masa de la celda de la batería (m), el calor específico de la celda (Cp), la resistencia interna de la celda (Rcelda), y la resistencia térmica entre la celda y el ambiente (Rth_ambiente) puede ser preestablecidos. Además, el factor de reducción (k) se establece inicialmente en '0' y tiene un valor de '0' a '1'. Por otro lado, la resistencia interna de la celda (Rcelda) también se puede identificar mediante un valor medido. Es decir, la unidad de control 50 también puede medir la corriente y el voltaje de la celda de batería 10 utilizando un sensor (no mostrado) que mide la corriente y el voltaje de la celda de batería 10, y mide la resistencia interna de la celda (Rcelda) basado en la corriente y en el voltaje medidos.
La unidad de control 50 identifica un cambio de temperatura (dT) de la celda de batería 10 frente al cambio de tiempo (dt) sustituyendo los valores de temperatura y los valores de corriente recibidos de cada uno del primer sensor de temperatura 31, el segundo sensor de temperatura 32 y el sensor de corriente 33 a la Ecuación 1, y estima una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de batería 10.
La unidad de control 50 determina si la temperatura futura de la celda de batería 10 diverge o converge analizando la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada. Cuando la temperatura futura de la celda de batería 10 diverge, la unidad de control 50 calcula un tiempo límite de alcance de temperatura (Atlímite) requerido para alcanzar una temperatura límite (Tlímite) preestablecida usando la Ecuación 1. Además, cuando el tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) supera un tiempo de referencia preestablecido (AW), la unidad de control 50 no procede con la reducción de energía de la celda de batería 10. Por el contrario, cuando el tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) es menor o igual que el tiempo de referencia (Atref), la unidad de control 50 calcula un factor de reducción (k) que permite que la temperatura de la celda de batería 10 aumente solo hasta un nivel predeterminado (por ejemplo, el 99%) de la temperatura límite (Tlímite) durante el tiempo de referencia (Atref) y controla la unidad de ajuste 40 para reducir el suministro de energía procedente de la celda de batería 10 basándose en el factor de reducción (k). En este caso, la unidad de control 50 determina una cantidad de energía de la celda de batería 10 para reducir, en proporción a la dimensión calculada del factor de reducción (k), y controla la unidad de ajuste 40 para deducir la cantidad de energía determinada a partir de la energía de salida. Por ejemplo, cuando el factor de reducción (k) se calcula como '0,9', la unidad de control 50 puede controlar la unidad de ajuste 40, de manera que la salida de la celda de batería 10 esté al nivel del 10% en comparación con la salida de celda de batería anterior, y cuando el factor de reducción (k) se calcula como '0,8', la unidad de control 50 puede controlar la unidad de ajuste 40, de manera que la salida de la celda de batería 10 esté al nivel del 20% en comparación con la anterior salida de la celda de la batería.
Por otro lado, cuando se estima que la temperatura de la celda de batería 10 converge, la unidad de control 50 calcula un tiempo de convergencia (Atsat) requerido para que la celda de batería 10 alcance una temperatura de convergencia (Tsat) utilizando la Ecuación 1. Además, cuando la temperatura de convergencia (Tsat) es superior o igual a la temperatura límite preestablecida (Tlímite) y el tiempo de convergencia (Atsat) es menor o igual que el tiempo de referencia preestablecido (Atref), la unidad de control 50 calcula un factor de reducción (k) que permite que la temperatura de convergencia (Tsat) alcance solo un nivel predeterminado (por ejemplo, el 99%) de la temperatura límite (T límite) durante el tiempo de referencia (Atref) a través de la Ecuación 1, y controla la unidad de ajuste 40 para reducir la salida de la celda de batería 10 en base al factor de reducción (k). Por el contrario, cuando la temperatura de convergencia (Tsat) es menor que la temperatura límite (Tlímite) o el tiempo de convergencia (Atsat) supera el tiempo de referencia (Atref), la unidad de control 50 no procede con la reducción de energía de la celda de batería 10.
Por otro lado, la unidad de control 50 se puede implementar como un microprocesador que ejecuta un código programado para incorporar un método para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con la presente divulgación. Alternativamente, la unidad de control 50 puede estar implementada como un chip semiconductor en el que se realiza un flujo de control de un método para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con la presente divulgación como un circuito lógico. Sin embargo, la presente divulgación no se limita a ello.
Además, el aparato para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con la presente divulgación se puede utilizar en combinación con un aparato de accionamiento de paquete de baterías que recibe energía del paquete de baterías. Por ejemplo, la presente divulgación se puede utilizar en diversos tipos de productos electrónicos que reciben energía procedente de baterías, tales como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y reproductores multimedia móviles personales. Como otro ejemplo, la presente divulgación se puede utilizar en combinación con diversos tipos de dispositivos alimentados por batería, tales como vehículos eléctricos, vehículos híbridos y bicicletas eléctricas. Además, el aparato para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con la presente divulgación se puede utilizar en un sistema de gestión de batería (BMS) que controla la carga/descarga del paquete de batería y protege el paquete de batería de sobrecarga o de descarga excesiva.
La FIG. 2 es un diagrama de flujo esquemático que muestra un método para controlar la energía para una batería secundaria de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
Haciendo referencia a la FIG. 2, la unidad de control 50 recopila información de detección de la batería secundaria en un ciclo predeterminado utilizando la unidad de detección 30 (S201). Es decir, la unidad de control 50 adquiere la temperatura de la celda de batería 10 utilizando el primer sensor de temperatura 31 de la unidad de detección 30, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de batería 10 utilizando el segundo sensor de temperatura 32, y la corriente eléctrica en la carga 20 utilizando el sensor de corriente 33.
Posteriormente, la unidad de control 50 estima una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de batería sustituyendo la información de detección recopilada (es decir, la temperatura de la celda de batería, la temperatura del aire exterior y la corriente de carga) en la Ecuación 1 (S203). Además, la unidad de control 50 identifica un cambio de temperatura (dT) de la celda de batería 10 en función del al cambio de tiempo (dt) sustituyendo la temperatura de la celda de batería, la temperatura del aire exterior y la corriente recolectada en el ciclo predeterminado a través de la unidad de detección 30 en la Ecuación 1, y estima una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de batería 10.
Posteriormente, la unidad de control 50 determina si la temperatura futura de la celda de batería 10 converge en una temperatura particular o continúa divergiendo analizando la tendencia de cambio de temperatura estimada (S205).
Posteriormente, cuando se determina que la temperatura futura de la celda de batería 10 converge (NO en S205), la unidad de control 50 identifica una temperatura de convergencia (Tsat) en la que la celda de batería 10 converge a partir de la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada y calcula un tiempo de convergencia (Atsat) requerido para alcanzar la temperatura de convergencia (Tsat) aplicando la temperatura de convergencia (Tsat) en la Ecuación 1 (S207). En este caso, la unidad de control 50 puede sustituir la información de detección (temperatura de la celda, temperatura del aire exterior y corriente de carga) identificada en S201 en la Ecuación 1, o puede volver a recopilar información de detección (temperatura de la celda, temperatura del aire exterior y corriente de carga) utilizando la unidad de detección 30 y sustituir la información de detección recopilada en la Ecuación 1. Además, la unidad de control 50 puede medir la corriente y el voltaje de la celda de batería 10 utilizando un sensor (no mostrado) que mide la corriente y el voltaje de la celda de batería 10, mide una resistencia interna de la celda (Rcelda) basada en la corriente y el voltaje medidos, y sustituir la resistencia interna de la celda medida (Rcelda) en la Ecuación 1.
Posteriormente, la unidad de control 50 compara la temperatura de convergencia (Tsat) con una temperatura límite preestablecida (Tlímite) para determinar si la temperatura de convergencia (Tsat) es menor que la temperatura límite (Tlímite) (S209). Posteriormente, cuando la temperatura de convergencia (Tsat) es superior o igual a la temperatura límite (Tlímite) (NO en S209), la unidad de control 50 compara el tiempo de convergencia (Atsat) con un tiempo de referencia preestablecido (Atref) para determinar si el tiempo de convergencia (Atsat) supera el tiempo de referencia (Atref) (S211). Además, cuando el tiempo de convergencia (Atsat) no supera el tiempo de referencia (Atref) como resultado de la determinación (NO en S211), la unidad de control 50 calcula un factor de reducción (k) que permite que la temperatura de convergencia (Tsat) alcance solo un nivel predeterminado (por ejemplo, el 99%) de la temperatura límite (Tlímite) a través de la Ecuación 1 para reducir la energía de salida de la celda de batería 10 (S213). En este caso, la unidad de control 50 calcula el factor de reducción (k) aplicando el tiempo de convergencia (Atsat) y la temperatura de convergencia (Tsat) en la Ecuación 1.
Posteriormente, la unidad de control 50 determina una cantidad de energía a reducir, en proporción al valor calculado del factor de reducción (k), y controla la unidad de ajuste 40 para deducir una cantidad de energía tanto como la cantidad de energía a reducir del suministro de energía, y finalmente para reducir la energía suministrada desde la celda de batería 10 a la carga 20 (S215). Es decir, cuando la temperatura de convergencia (Tsat) es superior o igual a la temperatura límite (T límite) y el tiempo de convergencia (Atsat) no supera el tiempo de referencia (Atref) como resultado de la determinación en S209 y S211, la unidad de control 50 estima que se produce un sobrecalentamiento por encima de la temperatura límite dentro del tiempo de referencia (Atref), y controla la unidad de ajuste 40 basándose en el factor de reducción calculado (k) para reducir la salida de la celda de batería 10 de antemano, evitando así que la celda de batería 10 se sobrecaliente.
Por otro lado, en la etapa S205, cuando se determina que la temperatura de la celda de batería 10 diverge (SÍ en S205), la unidad de control 50 calcula el tiempo (Atlímite) requerido para que la temperatura de la celda 10 de la batería alcance la temperatura límite preestablecida (T límite) a través de la Ecuación 1 (S217). Es decir, la unidad de control 50 calcula un cambio de tiempo (dt) sustituyendo la temperatura límite (Tlímite) en la Ecuación 1, y calcula un tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) requerido para alcanzar la temperatura límite basada en el cambio de tiempo calculado (dt). En este caso, la unidad de control 50 puede sustituir la información de detección (temperatura de la celda, temperatura del aire exterior y corriente de carga) identificada en S201 en la Ecuación 1, o puede volver a recopilar información de detección (temperatura de la celda, temperatura del aire exterior y corriente de carga) utilizando la unidad de detección 30 y sustituir la información de detección recopilada en la Ecuación 1.
Posteriormente, la unidad de control 50 identifica si el tiempo de alcance de temperatura límite calculado (Atlímite) excede el tiempo de referencia preestablecido (Atref) (S219), y cuando el tiempo de alcance de temperatura límite no excede el tiempo de referencia, calcula un factor de reducción (k) que permite que la temperatura de la celda de batería 10 solo aumente hasta un nivel predeterminado (por ejemplo, el 99%) del temperatura límite (Tlímite) para el tiempo de referencia (Atref) a través de la Ecuación 1 (S213). En este caso, la unidad de control 50 calcula el factor de reducción (k) aplicando el tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) y la temperatura límite (Tlímite) en la Ecuación 1.
Posteriormente, la unidad de control 50 determina una cantidad de energía a reducir, en proporción al valor calculado del factor de reducción (k), y controla la unidad de ajuste 40 para deducir una cantidad de energía tanto como la cantidad de energía a reducir de la energía de salida, y finalmente para reducir la energía suministrada desde la celda de batería 10 a la carga 20 (S215).
Por otro lado, cuando la temperatura de convergencia (Tsat) es menor que la temperatura límite preestablecida (T límite) en S209, cuando el tiempo de convergencia (Atsat) supera el tiempo de referencia (Ato) en S211, o cuando el tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) supera el tiempo de referencia (Ato) en S219, la unidad de control 50 no procede con la reducción de energía de salida de la celda de batería 10 (S221). En este caso, el factor de reducción (k) se establece de forma continua como el valor anterior (es decir, 0).
La FIG. 2 ilustra un proceso correspondiente a un ciclo, y el proceso según la FIG. 2 se puede realizar en un intervalo de tiempo predeterminado.
La FIG. 3 es un gráfico de simulación que muestra un cambio de temperatura en una celda de batería en la que se aplica el método para controlar la energía de acuerdo con la presente divulgación y un cambio de temperatura en una celda de batería tradicional.
En la simulación según la FIG. 3, la temperatura inicial de la celda se establece en 52°C, la temperatura del aire exterior se establece en 50°C y el tiempo de referencia (Ato) está establecido en 7.200 s.
Haciendo referencia a la FIG. 3, el número de referencia 310 en la FIG. 3 indica un gráfico que muestra un cambio de temperatura de una celda de batería tradicional, y se puede observar que la celda de batería se sobrecalienta más allá de la temperatura límite (es decir, 80°C). Por el contrario, el número de referencia 320 en la FIG. 3 indica un gráfico que muestra un cambio de temperatura en una celda de batería en la que se aplica el método para controlar la energía de acuerdo con la presente divulgación, y se puede observar que la temperatura de la celda de batería se mantiene por debajo de la temperatura límite (es decir, 80°C) diferente a la celda de batería tradicional.
Como se ha descrito anteriormente, la presente divulgación controla la salida de la celda de batería 10 para mantener la temperatura de la celda de batería 10 por debajo de la temperatura límite antes de que se produzca el sobrecalentamiento de la batería secundaria, evitando así un fenómeno en el que la vida útil y el rendimiento de la batería la batería secundaria se degradan debido al sobrecalentamiento. Además, la presente divulgación mantiene la temperatura de la batería secundaria por debajo de una temperatura predeterminada sin tener un dispositivo separado, tal como un sistema de refrigeración, reduciendo así el coste de producción del paquete de batería. Además, la presente divulgación estima con precisión el sobrecalentamiento de la batería secundaria mediante un algoritmo de estimación de temperatura, sin datos experimentales.
Claims (6)
1. Un aparato de control de energía para proteger una batería secundaria del sobrecalentamiento que comprende:
una unidad de detección (30) configurada para medir la temperatura de una celda de batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de batería y una corriente de carga;
una unidad de ajuste (40) configurada para ajustar la energía suministrada desde la celda de la batería a una carga (20); y
una unidad de control (50) configurada para:
- estimar una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de batería basándose en la temperatura de la celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda y la corriente de carga medida por la unidad de detección, utilizando la Ecuación 1:
m: masa de la celda de baterí
Cp : calor específico de la celda (J/kgK)
T: temperatura de la celda (°C)
t: tiempo
k: factor de reducción
I: corriente (A)
Rcelda: resistencia interna de la celda (Q)
Tambiente: temperatura del aire exterior alrededor de la celda (°C)
Rth_ambiente: resistencia térmica entre celda y el ambiente (K/W);
- analizar la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada de la celda y determinar si la temperatura futura de la celda de la batería diverge o converge,
en donde la unidad de control está configurada además para, cuando se determina que la temperatura futura converge a una temperatura de convergencia (Tsat):
- calcular un tiempo de convergencia (Atsat) requerido para que la temperatura de la celda de batería converja utilizando la Ecuación 1;
- cuando la temperatura de convergencia de la celda de batería es superior o igual a una temperatura límite (Tlímite) y el tiempo de convergencia es menor o igual a un tiempo de referencia (Ato), controlar la unidad de ajuste para reducir la energía suministrada desde la celda de la batería a la carga; y
- cuando la temperatura de convergencia de la celda de la batería es menor que la temperatura límite o el tiempo de convergencia excede el tiempo de referencia, no proceder con la reducción de energía de la celda de batería.
2. El aparato de control de energía de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la unidad de control está configurada además para, cuando se determina que la temperatura futura diverge:
- calcular un tiempo de alcance de temperatura límite (Atlímite) requerido para alcanzar la temperatura límite utilizando la Ecuación 1;
- cuando el tiempo de alcance de temperatura límite excede el tiempo de referencia, no proceder con la reducción de energía de la celda de la batería;
- cuando el tiempo de alcance de temperatura límite no excede el tiempo de referencia, proceder con la reducción de energía de la celda de batería.
3. El aparato de control de energía de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la unidad de control está configurada además para, cuando se decide proceder con la reducción de energía de la celda de batería, calcular un factor de reducción que permite que la temperatura de la celda de batería alcance un nivel predeterminado de temperatura límite dentro del tiempo de referencia utilizando la Ecuación 1, determinar una cantidad de energía para reducir basándose en el factor de reducción y controlar la unidad de ajuste.
4. Un método de control de energía que comprende:
medir la temperatura de una celda de batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda de la batería y una corriente de carga;
estimar una tendencia de cambio de temperatura futuro de la celda de la batería basándose en la temperatura medida de la celda de la batería, la temperatura del aire exterior alrededor de la celda y la corriente de carga, utilizando la Ecuación 1:
m: masa de la celda de la batería (kg)
Cp : calor específico de la celda (J/kgK)
T: temperatura de la celda (°C)
t: tiempo
k: factor de reducción
I: corriente (A)
Rcelda: resistencia interna de la celda (Q)
Tambiente: temperatura del aire exterior alrededor de la celda (°C)
Rth_ambiente: resistencia térmica entre celda y el ambiente (K/W);
determinar si la temperatura futura diverge o converge analizando la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada;
determinar si la temperatura de la celda de batería aumenta por encima de una temperatura límite dentro de un tiempo de referencia preestablecido, analizando la tendencia de cambio de temperatura futuro estimada de la celda de batería;
calcular un tiempo de convergencia requerido para que la temperatura de la celda de batería converja utilizando la Ecuación 1 cuando se determina que la temperatura futura de la celda de la batería converge; y reducir la energía de salida de la celda de la batería cuando la temperatura de convergencia de la celda de la batería es mayor o igual a la temperatura límite y el tiempo de convergencia es menor o igual que el tiempo de referencia; o
no proceder con la reducción de energía de salida de la celda de la batería cuando la temperatura futura de la celda de batería es menor que la temperatura límite o el tiempo de convergencia excede el tiempo de referencia.
5. El método de control de energía de acuerdo con la reivindicación 4, en donde cuando se determina que la temperatura futura diverge:
calcular un tiempo de alcance de la temperatura límite (Atiímite) requerido para alcanzar la temperatura límite usando la Ecuación 1;
proceder a la reducción de energía de la celda de la batería, cuando el tiempo de alcance de temperatura límite no exceda el tiempo de referencia; y
no proceder con la reducción de energía de la celda de batería, cuando el tiempo de alcance de temperatura límite excede el tiempo de referencia.
6. El método de control de energía de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la reducción de la energía de salida comprende:
calcular un factor de reducción que permita que la temperatura de la celda de batería alcance un nivel predeterminado de la temperatura límite dentro del tiempo de referencia utilizando la ecuación; y
determinar una cantidad de energía a reducir basándose en el factor de reducción calculado, y reducir la energía de salida de la celda de la batería basándose en la cantidad de energía determinada a reducir.
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