ES2234435B1 - Dispositivo y metodo para el control optimo de carga de una bateria de plomo-acido. - Google Patents

Abstract

Dispositivo y método para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido. Consiste en un dispositivo y método capaz de controlar el balance energético global de un sistema optimizando la carga de una batería de plomo ácido. El sistema de control gobernado por un microcontrolador (6) se encarga de determinar la corriente óptima de carga de la batería (3) en función del nivel de energía (LOE) disponible. Este tipo de control incide sobre el generador de potencia (1), a través del convertidor continua-continua (2), para garantizar que circule la corriente de carga óptima por la batería (3), teniendo en cuenta la corriente que necesiten las cargas conectadas (5 y 6) antes o después del convertidor continua-alterna (4).

Description

Dispositivo y método para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de almacenamiento y control energético.

Estado de la técnica

Las baterías son unos elementos ampliamente utilizados para el almacenamiento de energía eléctrica. Su uso se extiende desde la industria (espacial, automoción, energética, etc.) al ámbito doméstico. Un aspecto importante a tener en cuenta cuando se trabaja con baterías, es la correcta carga de éstas, permitiendo alargar su vida y obtener mayor rendimiento.

Los métodos de control tienen como objetivo asegurar energía suficiente en todo instante de tiempo para el correcto funcionamiento de los equipos de la instalación. La mayor parte de las técnicas se centran en dos premisas: producir la máxima energía posible, y regular de forma óptima la activación de las cargas. Para producir la máxima energía posible se hacen trabajar a los generadores de energía en el punto de máxima potencia. Pero estos métodos no tienen en cuenta la capacidad de la batería para asimilar la corriente que le llega. Esta capacidad depende del nivel de energía de la batería, y por tanto va variando a medida que la batería se va cargando.

Un control que tenga en cuenta la corriente óptima de carga de las baterías, permite que el nivel de energía de las baterías sea superior en todo instante de tiempo, permitiendo tener un mayor número de cargas conectadas o simplemente aumentar la autonomía del sistema que se alimenta.

Descripción detallada de la invención

La invención consiste en un sistema gobernado por un microcontrolador (7) que a partir del nivel de energía (LOE) de la batería (3), calcula la corriente óptima de carga de ésta y actúa sobre el convertidor continua-continua (2) para que entregue dicha corriente a la batería (3). La corriente entregada podrá ser menor en el caso en que el generador de energía (1) no pueda entregar la corriente necesaria.

El nivel de energía de la batería se define como:

(1)LOE(t_{i})\equiv \frac{1}{C_{n}} \int\limits^{t_{i}}_{-\infty}\eta_{c} (t) \cdot I(t) \cdot \partial t

donde C_{n} es la capacidad máxima de la batería en el rango de temperaturas y corrientes de trabajo, y \eta_{c} es la eficiencia de carga que se define como:

(2)\eta_{c} (t)= 1 - e^{\left(\tfrac{a_{cmt}}{\tfrac{I(t)}{I_{10}} + b_{cmt}} \cdot (SOC(t) - 1) \right)}

siendo SOC el estado de carga de la batería definido según la expresión:

(3)SOC(t_{i}) \equiv \frac{1}{C(t_{i})} \int\limits^{t_{i}}_{-\infty} \eta_{c} (t) \cdot I(t) \cdot \partial t

donde C(t) es la capacidad de la batería en Amperios-hora.

A partir de la gráfica de la figura 3 se deduce que la relación entre la corriente que llega a la batería y el nivel de carga de ésta, es cuadrática. El cálculo de la corriente óptima tiene la forma:

(4)I_{óptima} = a_{1} \cdot LOE^{2} + a_{2} \cdot LOE + a_{3}

donde los coeficientes a_{1}, a_{2} y a_{3} dependen de cada batería.

La política de control que implementa el dispositivo no afecta en ningún caso a la gestión de las cargas, y es complementario con las políticas de gestión energética de cada instalación.

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Modos de realización de la invención

La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo de la realización preferida, el cual no pretende ser limitativo de su alcance.

La realización propuesta consta de un convertidor continua-continua bidireccional (2) controlado por microcontrolador (7). Utilizando como datos de entrada el nivel de energía de las baterías, el microcontrolador (7) calcula la corriente de carga óptima según la ecuación (4). A partir de medidas de corriente, el control calcula la corriente que debe proporcionar el convertidor continua-continua, según la ecuación (5).

(5)I_{control} = I_{óptima} + I_{cargas}

Descripción de las figuras

En la figura 1 se muestra, a título de ejemplo, el esquema eléctrico de una instalación fotovoltaica con los paneles solares (1), el convertidor continua-continua (2), las baterías (3), el convertidor continua-alterna (4) y las cargas alimentadas en continua (5) y en alterna (6). El dispositivo para el control óptimo de carga de baterías (7) actúa sobre el convertidor continua-continua (2).

En la figura 2 se representa la capacidad de una batería de asimilar energía en función del nivel de energía de la misma y de la corriente de carga que la alimenta. Esta gráfica se ha elaborado calculando el incremento de nivel de energía, según la ecuación (1), que se consigue al hacer circular por la batería un abanico de corrientes, a 25ºC, en un intervalo de tiempo de 2 minutos.

La figura 3 muestra las curvas de corriente óptima (8) y límite (9) de carga de una batería. Los puntos de trabajo situados sobre la curva de corriente óptima (8) indican que la batería asimila la máxima carga posible. Si se trabaja en la zona superior (10) de la curva de corriente límite (9) la batería no se carga. Por el contrario, en la zona inferior (11) de la curva de corriente óptima, la batería puede asimilar más carga de la que se le entrega, mientras que en la zona intermedia entre ambas curvas (12), la batería no absorbe toda la carga que se le entrega.

Claims (4)

1. Dispositivo para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido caracterizado por el hecho de utilizar un bloque de control, basado en un microcontrolador (7), y un bloque de potencia, basado en un convertidor continua-continua (2), para el control de la corriente proporcionada a baterías y cargas.

2. Dispositivo para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido, según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el microcontrolador (7) utiliza un método matemático para maximizar el nivel de energía almacenado en la batería.

3. Dispositivo para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido, según reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el método matemático calcula dinámicamente la corriente óptima que se debe inyectar a la batería en función del nivel de energía almacenado en esta, ecuaciones 1 a 4.

4. Dispositivo para el control óptimo de carga de una batería de plomo-ácido, según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el convertidor continua-continua (2) proporciona la corriente de carga óptima a la batería, indicada por el microcontrolador, más la corriente necesaria para alimentar las cargas, dinámicamente.