BR102020026214A2 - Método e sistema de previsão de final de vida útil de baterias secundárias operando em baixo soc. - Google Patents

Abstract

MÉTODO E SISTEMA DE PREVISÃO DE FINAL DE VIDA ÚTIL DE BATERIAS SECUNDÁRIAS OPERANDO EM BAIXO SOC. Método e Sistema para previsão de final de vida útil de baterias secundárias que operem permanentemente, ou a maior parte do tempo, em regime cíclico em baixo estado de SoC (SoC menor que 50%). Consiste em um método cujo núcleo é composto por três estágios, sendo o primeiro, um diferenciador de tensão em relação à carga, o segundo, um extrator de média e detector de pico máximo, e o terceiro, um integrador. O sistema implementa o método, contendo adicionalmente um controlador de estados e um configurador. O método é do tipo não invasivo, e o sistema não requer o uso de conectores ou sensores especiais, podendo ser utilizado em ambientes externos. O método e sistema são aplicáveis para qualquer tipo de bateria secundária.

Description

MÉTODO E SISTEMA DE PREVISÃO DE FINAL DE VIDA ÚTIL DE BATERIAS SECUNDÁRIAS OPERANDO EM BAIXO SOC. Campo da invenção

[001] A presente invenção situa-se no domínio da engenharia elétrica, no campo das baterias secundárias e, mais especificamente, refere-se a um método e sistema para efetuar previsão de final de vida útil de baterias secundárias operando em regime de baixo SoC, sendo aplicável para qualquer tipo de bateria secundária.

Fundamentos da invenção

[002] As baterias recarregáveis, tecnicamente denominadas secundárias, são essenciais para garantir uma operação segura e ininterrupta de sistemas de geração de energia elétrica por fontes alternativas, tais como a eólica e a solar. No caso dos geradores eólicos, a incidência eólica é bastante aleatória, especialmente para o caso de geradores de menor porte, que atuam com menor altura da torre de sustentação.

[003] Assim, para garantir um fluxo de potência constante para a unidade consumidora, é necessário que, entre o aerogerador e a dita unidade consumidora, seja instalada uma bateria, ou um banco de baterias, de modo a manter estáveis a tensão e a corrente fornecidas. Entenda-se por unidade consumidora, no contexto do presente documento, qualquer unidade a ser alimentada pelo aerogerador, podendo ser, a título de ilustração, um simples motor de bomba d’água, ou uma residência, ou uma pequena cidade, dependendo do porte do aerogerador.

[004] No caso de geradores solares, existem dois fatores que exigem o uso de baterias.

[005] O primeiro é o fato de a incidência solar ocorrer no período diurno e o consumo, no caso de usuários residenciais, ocorrer principalmente à noite. O segundo fator, de forma similar ao caso eólico, é para estabilizar a potência fornecida, especialmente em dias nublados, nos quais a incidência solar fica variável.

[006] A bateria secundária é um reservatório eletroquímico de energia elétrica, no qual o armazenamento e a recuperação da energia armazenada ocorrem por meio de reações eletroquímicas reversíveis. A capacidade de armazenamento de energia de uma bateria é medida em ampères-hora (Ah). Quando uma bateria está totalmente carregada, diz-se que ela está com 100% de SoC (State of Charge, estado de carga).

[007] Devido à importância da bateria para garantir a operação segura dos sistemas geradores de energia elétrica por fontes alternativas, e garantir sua capacidade de fornecimento de energia de forma contínua, um importante parâmetro para a caracterização das baterias é o seu estado de saúde (SoH, State of Health). O SoH é definido como a relação entre a capacidade de armazenamento (100% de SoC) da bateria, em uma dada data, e a capacidade de armazenamento que essa mesma bateria possuía, quando nova.

[008] Idealmente, o SoH deveria ser 100% ao longo da vida de uma bateria. Entretanto, não é isso que ocorre, na prática. À medida que a bateria sofre degradações internas, o SoH diminui. As degradações podem ocorrer devido a diversos fatores, tais como a oxidação ou corrosão das partes metálicas, formação de cristais, estratificação do eletrólito e outros. O SoH não diminui linearmente com a vida da bateria. Inicialmente, ele se mantém em um patamar elevado e estável. Porém, à medida que ocorrem as reações de degradações na bateria, o SoH começa a diminuir e, quando chega na região de 80%, passa a decair mais rapidamente. Por tal motivo, o limiar de 80% do SoH é tecnicamente definido como o final de vida útil da bateria (EoL, End of Life).

[009] Pela importância que o SoH e o EoL representam para uma operação segura dos sistemas que utilizam baterias, existem diversas técnicas para se realizar a estimação do SoH ou, alternativamente, a previsão ou a detecção de proximidade do EoL. Esse tipo de informação é necessário, para que seja possível providenciar a substituição da bateria degradada, em procedimento de manutenção preventiva, antes que ela atinja a condição de EoL.

[0010] Conforme será apresentado nos próximos parágrafos, existem diversas técnicas para se realizar a estimação do SoH ou a previsão de EoL. Entretanto, observa-se que cada método é desenhado para uma determinada forma de uso da bateria. Observa-se, também, que nenhum deles trata adequadamente uma situação que se verifica com certa frequência em plantas fotovoltaicas e eólicas de menor porte. Nesse tipo de planta, quando a unidade consumidora demanda energia de forma contínua ou frequente, a bateria opera, permanentemente, ou a maior parte do tempo, em estado de baixo nível de SoC.

Estado da técnica

[0011] O método convencional para se determinar o valor do SoH de uma bateria consiste na realização de medida direta de sua capacidade. Esse método consiste em submeter a bateria a uma carga complementar para garantir que ela esteja com 100 % SoC, aguardar um determinado tempo para que ocorra a estabilização da carga, e submeta-la a uma descarga total com corrente constante, medindo a carga (Ah) fornecida pela bateria. Entretanto, embora seja um método simples e direto, ele apresenta diversos inconvenientes. Inicialmente, trata-se de um método invasivo, de difícil aplicação para o caso das baterias que estejam em operação, em campo. Segundo, trata-se de um método demorado, especialmente para o caso de baterias estacionárias de médio ou grande porte, típicas de instalações geradoras de energia por fonte solar ou eólica. Em caso de baterias desse porte, o processo completo de recarga, estabilização e descarga, pode demorar mais de 24 horas. Um terceiro inconveniente, é que há um grande desperdício de energia, pois a energia descarregada, em geral, deve ser dissipada em forma de calor.

[0012] Visando contornar tais inconvenientes, diversos métodos alternativos de estimação de SoH ou previsão de EoL têm sido desenvolvidos. Esses métodos, no estado da técnica, são descritos a seguir, agrupados segundo as vertentes de sua lógica de operação.

[0013] Uma primeira vertente de raciocínio simula a medição da capacidade, buscando reduzir, de alguma forma, o impacto de seus efeitos adversos. Um exemplo nessa linha é o documento de patente BR 112012018548-9 A2 “Processo de Diagnóstico de Estado de Funcionamento de uma Bateria” (2011), que estima o SoH a partir de dados de tensão medidos em duas descargas. Esse método reduz a energia desperdiçada, mas continua a ser um método invasivo, à medida que requer a realização de descarga, ainda que parcial, da bateria. Outro inconveniente, para os propósitos desta invenção, é que as medidas são realizadas em patamares elevados de SoC.

[0014] Uma segunda vertente de raciocínio busca avaliar o estado interno da bateria a partir da análise do comportamento das reações químicas que ocorrem dentro da mesma. Por meio da medida do grau de presença (concentração) de certos componentes químicos, comparando-os com um padrão esperado, é estimado o SoH da bateria. Um exemplo de patente dessa vertente de raciocínio é a descrita no documento US 2016/0239586 “Lifetime Prediction Method and System of Lithium-Ion Battery”, que efetua a estimativa de SoH em baterias lítio-íon por meio da medida da velocidade de difusão das moléculas de solvente. Uma grande limitação dos métodos como esse, que efetuam a estimativa de SoH baseada em informações químicas, é a dificuldade de realização das medidas, que dependem de sensores especiais, com limitações de resolução, precisão e estabilidade. Assim, são métodos com uso limitado a aplicações muito específicas, não sendo aplicáveis para uso em campo, para monitoração remota.

[0015] Uma terceira vertente busca avaliar o estado interno da bateria, por meio de medidas realizadas em circuito elétrico equivalente. O circuito elétrico equivalente procura reproduzir o comportamento real da bateria, por meio de um circuito elétrico hipotético, formado por componentes ideais, no qual cada “componente” corresponde a um determinado comportamento elétrico da bateria. Nesse sentido, uma vertente de raciocínio procura estimar o SoH da bateria por meio da medida da resistência interna representada no circuito equivalente. Em geral, essa resistência aumenta à medida que a bateria fica degradada. Diversas técnicas têm sido desenvolvidas para se estimar a resistência interna. Assim, por exemplo, o documento US 2009/0109046 “Adaptive Filter Algorithm for Estimating Battery State-of-Age” descreve uma patente que busca estimar a resistência interna por meio de métodos de regressão a partir de um grande número de leituras de tensão e corrente. Esse método apresenta o inconveniente de necessitar de uma larga excursão de SoC, não sendo aplicável para o caso da bateria operar apenas em estado de baixo SoC.

[0016] Já os documentos US 9,456,077 “Battery Health Monitoring System and Method” (2016) e WO 2011/101553 “Method for the In Situ Diagnosis of Batteries by Electrochemical Impedance Spectroscopy”, referem-se a duas patentes que buscam avaliar a impedância interna da bateria por meio de medidas realizadas com sinais de teste de tensão alternada em diferentes frequências. Outra variante busca realizar a análise por meio da capacitância de dupla camada, como no documento PI 1103911-6 A2 "Método e Aparato de Análise de Baterias Recarregáveis” (2011), que emprega sinal de teste de múltiplas frequências para determinar a variação da capacitância e, a partir disso, inferir o SoH da bateria. Esses métodos apresentam o inconveniente de necessitarem de um set-up especial junto à bateria, e requererem o uso de conectores especiais de baixa impedância, sendo, portanto, inviáveis para uso em ambiente de campo.

[0017] Uma outra vertente de raciocínio trabalha com modelagem puramente matemática. Um exemplo é o documento PI 0419140-4 A “Método, Sistema e Aparato para Estimar o Estado e Parâmetros de uma Bateria” (2004), que descreve uma patente que utiliza resultados obtidos por outros métodos de análise (baseados em modelos físicos) e aplica, àqueles resultados, o método de Filtro de Kalman Estendido, para se obter uma melhor previsão futura a partir dos dados recebidos. O documento CN107436411A “Battery SoH On-line Estimation Methods based on Fractional Order Neural Network and Dual-Volume Storage Kalman” (2017) descreve uma patente que combina o método de filtro de Kalman com a modelagem por rede neural para realizar a previsão. E o documento CN110068774 “Estimation method and device of lithium battery health status, and storage medium” (2019) descreve uma patente que emprega regressão gaussiana aliada a aprendizagem de máquina. Esses métodos, matematicamente mais sofisticados que os anteriores, exigem um maior esforço computacional, e dependem de um processo de aprendizagem realizado com um conjunto de dados de teste, os quais podem diferir dos dados reais quando o método for utilizado em campo. Adicionalmente, eles dependem de resultados fornecidos por outros modelos físicos.

[0018] Outra vertente busca avaliar de forma mais direta a capacidade da bateria, a qual se manifesta pelo comportamento da relação entre a tensão (V) e a carga Q (Ah) da bateria. Um exemplo nessa vertente é apresentado pelo documento US 2017/0038436 “Method for Estimating the State of Health of a Battery”, que descreve uma patente que busca estimar o SoH a partir da variação da tensão de circuito aberto (OCV, Open Circuit Voltage) em relação à carga Q armazenada. Porém, o método de OCV funciona apenas nos casos em que seja possível desconectar a bateria por algumas horas, tais como em veículos automotivos, não sendo aplicável ao caso das plantas fotovoltaica e eólica.

[0019] Os documentos US 2012/0105068 “Method and Apparatus for Assessing Battery State of Health” e US 2014/0266060 “Method and Apparatus for Evaluating a Rechargeable Battery” descrevem patentes cujo método de previsão do final de vida útil é baseado na medida da variação da tensão em função da carga injetada (dV/dQ). O método utilizado para se efetuar a estimação de SoH consiste na monitoração de um pico da curva dV/dQ, que ocorre na região de SoC acima de 50%, não sendo, portanto, factível para monitorar baterias que operam continuamente abaixo de 50% de SoC.

[0020] Já os documentos EP 3686618 “Online Battery State of Health Estimation during Charging” e US 2017/0139014 “Energy Storage Battery, Energy Storage-Battery Monitoring Method and Monitoring Controller” descrevem patentes cujo método de previsão de final de vida útil é baseado na variação da quantidade de carga necessária para provocar uma determinada mudança na tensão (dQ/dV). Entretanto, a técnica consiste em monitorar uma variação que ocorre em dois picos da curva dQ/dV. Esses picos se manifestam quando a bateria está com 50% e 70% de SoC e, portanto, não são técnicas aplicáveis para se monitorar baterias que operam continuamente em SoC abaixo de 50%.

[0021] Diante desse quadro, foi desenvolvida uma solução específica para a detecção de proximidade de final de vida útil de baterias que operam em regime ininterrupto e continuamente em estado de baixo SoC. O método e sistema foram desenvolvidos para operar de forma autônoma, em campo, em ambiente aberto sujeito a variações extremas de temperatura, e sujeito também a ruído eletromagnético proveniente de equipamentos próximos.

Breve descrição dos desenhos

[0022] O Método e Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, objeto da presente invenção, é melhor descrito fazendo-se referência às figuras a seguir:
A Figura 1 apresenta o Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias operando em Baixo SoC;
A Figura 2 apresenta o Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias operando em Baixo SoC.

Descrição da invenção

[0023] O princípio de funcionamento do núcleo do Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC consiste em uma sequência de três estágios. No primeiro estágio são efetuadas medidas convencionais de dV/dQ.

[0024] No segundo estágio, as informações coletadas ao longo de uma fase de recarga, ou de uma fase de descarga, são compiladas, para gerar um valor representativo do ciclo.

[0025] Um ciclo compreende uma fase de recarga e uma fase de descarga. No terceiro estágio, os valores representativos de vários ciclos são integrados, para se identificar a tendência geral e, assim, detectar se a bateria está se aproximando do final de sua vida útil.

[0026] Na Figura 1, a etapa (10) refere-se a um estágio preliminar, que tem por objetivo receber as informações de tensão (11), corrente (12) e temperatura (13) da bateria monitorada. Essas informações podem ser coletadas por meio de sensores comuns disponíveis no mercado. Em seguida, o valor da informação de corrente (12) é ajustado utilizando-se a informação da temperatura (13). A seguir, é criado um vetor contendo informações de tensão, corrente e uma informação de tempo. A frequência da operação de receber as informações de entrada (11, 12 e 13) e gerar o dito vetor pode ser ajustada livremente, sendo tipicamente da ordem de uma vez por minuto.

[0027] Os ditos sensores não fazem parte da presente invenção.

[0028] Na Figura 1, a etapa (20) corresponde ao primeiro estágio do algoritmo, e refere-se a um processo que efetua o cálculo de dV/dQ a partir dos dados de cada vetor. Como o dV/dQ instantâneo pode variar bastante, de forma aleatória, é efetuado, em seu lugar, um cálculo de ΔV/ΔQ, no qual o ΔQ corresponde à carga acumulada em um período cuja duração típica é da ordem de 10 a 30 minutos, sendo este um parâmetro ajustável. Já o Δν corresponde à variação de tensão ocorrida nesse mesmo intervalo.

[0029] Na Figura 1, o segundo estágio do algoritmo corresponde às etapas (31) e (32).

[0030] Nesse estágio, o dV/dQ resultante do primeiro estágio (20) pode ser tratado de duas formas alternativas. Na primeira forma, a etapa (31) extrai o valor médio da sequência de valores de dV/dQ gerados ao longo da fase de recarga, ou da fase de descarga, de um ciclo. A média será, então, o valor representativo do dV/dQ desse ciclo.

[0031] A utilização dos dados de entrada, se serão os da fase de recarga ou da fase de descarga, é selecionável por meio de um arquivo de configurações.

[0032] Na segunda forma alternativa, a etapa (32) monitora os valores de dV/dQ gerados ao longo da fase de recarga, ou de descarga, e seleciona o valor de pico máximo ocorrido nesse ciclo. Neste caso, o valor de pico será o valor representativo desse ciclo. O uso de uma das formas (31 ou 32) é selecionável por meio do arquivo de configurações.

[0033] Na Figura 1, a etapa (40) corresponde ao terceiro estágio do algoritmo. Nessa etapa, é realizada a integração dos valores representativos gerados no segundo estágio.

[0034] A integração é realizada tendo por referência uma janela de tempo deslizante, cuja duração pode ser ajustada por meio de arquivo de configuração, sendo tipicamente de 15 a 60 ciclos de extensão.

[0035] Na Figura 1, na etapa (60), o resultado da integração (40) é comparado com um valor de referência (50). Se o resultado da integração (40) for maior que o valor de referência (50), é gerado um sinal de alarme (70), indicando a proximidade de final de vida útil da bateria monitorada.

[0036] A Figura 2 apresenta o Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, que implementa o Método acima descrito.

[0037] Na Figura 2, o bloco (100) refere-se a um circuito de entrada, o qual recebe os sinais (11, 12 e 13) provenientes de sensores de tensão, corrente e temperatura, respectivamente. Essas informações podem ser coletadas por meio de sensores comuns disponíveis no mercado, não necessitando ser sensores especiais. O bloco (100) efetua um tratamento inicial nesses sinais de entrada, por exemplo, convertendo-os para formato digital, se eles forem sinais analógicos. A seguir, o valor da informação de corrente (12) é ajustado utilizando-se a informação de temperatura (13). Gera-se, então, uma tupla contendo dados de tensão, corrente e uma informação de tempo (time stamp).

[0038] A frequência de leitura dos dados dos sensores e geração da tupla pode ser ajustada por meio de um configurador (900), sendo tipicamente de 1 leitura por minuto.

[0039] Os ditos sensores não fazem parte da presente invenção.

[0040] Na Figura 2, o bloco (200) é o responsável por calcular o valor de dV/dQ, relativo ao primeiro estágio do algoritmo. Conforme comentado nos parágrafos relativos ao Método, o valor de dV/dQ não é calculado como um valor instantâneo (referenciado a um dQ infinitesimal), pois, se assim for feito, o dV/dQ calculado apresenta uma variação aleatória muito grande, tornando o resultado pouco prático. Por tal motivo, o dV/dQ é calculado por meio de um valor ΔV/ΔQ equivalente, no qual a janela de acumulação de ΔQ pode ser ajustada por meio de um configurador (900), sendo tipicamente de 10 a 30 minutos. O bloco (200) é constituído por um registrador de deslocamento tipo FIFO (First In, First Out), cuja extensão pode ser ajustada por meio do configurador (900). O registrador simula uma janela deslizante com a extensão desejada. O ΔQ acumulado, bem como o ΔV do período, é calculado por meio desse registrador. O ΔQ acumulado corresponde à soma dos valores armazenados em cada posição do registrador. Já o Δν corresponde à diferença entre os dados da primeira e da última posição da memória do registrador. O configurador (900) determina se o cálculo de ΔV/ΔQ deve ser efetuado na fase de recarga ou na fase de descarga.

[0041] Na Figura 2, o bloco (300) exerce o duplo papel de extrator de média e detector de pico, e sua função corresponde ao segundo estágio do algoritmo. O bloco (300) é composto por um acumulador, que acumula os valores recebidos do bloco (200) durante a fase de recarga, ou durante a fase de descarga, conforme definido pelo configurador (900). Ao mesmo tempo em que efetua a acumulação de valores, o bloco (300) identifica e registra o maior valor da série. Ao terminar a fase de recarga, ou de descarga, o bloco efetua o cálculo da média dos valores acumulados no acumulador, e indica qual foi o maior valor registrado. O valor de saída do bloco (300) é selecionado entre a média e o valor de pico, sendo a seleção determinada pelo configurador (900).

[0042] Na Figura 2, o bloco (400) corresponde ao terceiro estágio do algoritmo. O bloco (400) é composto por um registrador de deslocamento e um integrador. O registrador é do tipo FIFO, com extensão ajustável por meio do configurador (900). Cada novo valor de saída do bloco (300) é armazenado em uma posição desse registrador. A seguir, o integrador integra o conteúdo do registrador, gerando o resultado numérico desse bloco (400).

[0043] Na Figura 2, o resultado numérico do bloco (400) é comparado, por meio do comparador (600), com um valor de referência (500). Se o resultado numérico do bloco (400) for maior que o valor de referência (500), é gerado um sinal de alarme na interface (700). Esse sinal será utilizado por um equipamento ou sistema externo, para sinalizar a proximidade do final de vida útil da bateria monitorada.

[0044] Na Figura 2, o bloco (800) é um controlador de estados. Essencialmente, ele tem o papel de identificar, a partir das informações de entrada de tensão (11) e de corrente (12), se esses dados correspondem à fase de recarga ou de descarga. Em um ambiente controlado de laboratório, bastaria observar a polaridade da corrente, para discriminar entre as duas fases. Entretanto, em ambiente de campo, devido ao ruído eletromagnético presente, a discriminação da fase a partir da mera polaridade da corrente é insuficiente, podendo provocar erro de decisão. Por tal motivo, o bloco (800) contém uma memória de curta duração, com extensão programável, acoplado a um filtro digital. Para cada novo dado recebido nas entradas (11 e 12), o filtro digital compara a sequência de dados memorizados com um padrão de comportamento esperado, e decide em qual fase, recarga ou descarga, se encontra o processo da bateria, e identifica também quando ocorrer uma mudança de fase. A saída do bloco (800), que constitui a informação indicativa da fase, controla o comportamento dos blocos diferenciador (200) e acumulador/detector de pico (300).

[0045] Na Figura 2, o bloco (900) é um configurador. Ele tem o papel de ler os dados constantes em um arquivo de configuração e converter as instruções, de modo a configurar corretamente o diferenciador (200), o acumulador/detector de pico (300), o registrador de deslocamento (400) e o nível de referência (500). O nível de referência depende do tipo da bateria, e essa informação consta no arquivo de configuração.

Exemplos de concretizações da invenção

[0046] Na Figura 2, em uma realização preferencial, o bloco (100) é implementado como um circuito (hardware) contendo um conjunto de conversores analógico-digitais, os quais convertem os dados de entrada (11, 12 e 13) em informações numéricas. Adicionalmente, o bloco (100) contém um microcontrolador programável, o qual executa as funções básicas de correção do valor da corrente (11) em função da temperatura (13), e a geração das tuplas de dados.

[0047] Na Figura 2, os blocos (200) a (900) podem ser implementados em software, a ser executado em um microcomputador simples. A linguagem de programação adotada poderá ser qualquer uma que gere código executável. Exemplos de linguagens de programação aplicáveis ao ambiente de sistema operacional Windows são, apenas a título de ilustração, mas não limitados ao, C/C++, Java, Python e Visual Basic. Para os sistemas operacionais Linux e macOS, apenas a título de ilustração, mas não limitados ao, tem-se o C/C++, Java e Python. O código implementado poderá ser executado em qualquer microcomputador comercial de pequeno porte, executando qualquer um dos sistemas operacionais mencionados. Alternativamente, poderá ser utilizado um microcomputador tipo industrial, que consiste em uma placa-mãe (motherboard) contendo um chip processador, memória, executando um dos sistemas operacionais anteriormente citados, e empacotado dentro de um gabinete blindado tipo rack industrial ou mini-torre (minitower), ou qualquer outro formato adequado para instalação em ambiente industrial.

[0048] Na Figura 2, em uma realização preferencial, a qual não exclui outras alternativas, os blocos (200) a (900) podem ser implementados em software, utilizando, apenas a título de ilustração, mas não limitado à linguagem de programação Visual Basic (VB), gerando código executável para ambiente Windows. Em uma realização preferencial, a qual não exclui outras formas, cada um dos blocos (200) a (900) foi implementado como um módulo de código VB, sendo que os blocos (200), (300) e (400) foram implementados como módulos de classe (arquivo tipo cls), dentro de uma arquitetura de programação orientada a objetos.

[0049] Na Figura 2, o bloco (700), correspondente à saída de alarme, pode ser implementado de duas formas distintas. Se o sistema for implementado para ser executado em um microcomputador industrial, a forma de realização preferencial, a qual não exclui outras alternativas, consiste em ativar ou desativar uma determinada porta de saída, ao qual poderá estar acoplado um alarme sonoro (buzina), ou lâmpada sinalizadora. Se, por outro lado, o sistema for implementado para ser executado em um microcomputador convencional, em uma forma de realização preferencial, a qual não exclui outras alternativas, a saída (700) pode corresponder a um pequeno programa, implementado em VB em conjunto com os demais módulos, para exibir os resultados na tela do microcomputador. Alternativamente, sem excluir as alternativas anteriores, a saída (700) pode corresponder a um arquivo de log que será lido por outros programas, ou transmitido, por meio de um mecanismo de transmissão conectado a uma porta do microcomputador, para ser lido em um sistema centralizado localizado em um ponto geograficamente distante. O bloco (700) não faz parte da invenção.

Claims (23)

1. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, caracterizado por compreender as seguintes etapas:

   • a) Receber os dados de tensão, corrente e temperatura, de uma bateria, cuja vida útil deve ser monitorada;
   • b) Efetuar um pré-processamento (10) dos dados de tensão (11), corrente (12) e temperatura (13) recebidos, correspondente à bateria monitorada, gerando, para cada leitura efetuada, um vetor de dados composto por informações de tensão, corrente e tempo;
   • c) Efetuar um primeiro cálculo (20) de dV/dQ, o qual indica a variação da tensão V em função da carga Q (Ah) acumulada durante um determinado intervalo de tempo;
   • d) Efetuar um segundo cálculo (31), o qual consiste em extrair a média do conjunto de valores de dV/dQ, obtidos durante a fase de recarga ou de descarga de um ciclo;
   • e) Efetuar um segundo cálculo alternativo (32), o qual consiste em detectar o valor de pico máximo da sequência de valores dV/dQ obtidos durante a fase de recarga ou de descarga de um ciclo;
   • f) Efetuar uma seleção, com base em um arquivo de configuração, entre o resultado do cálculo da média (31) ou do valor de pico máximo (32), como sendo o valor representativo daquele ciclo;
   • g) Efetuar um terceiro cálculo (40), o qual consiste em efetuar a integração dos valores representativos de ciclo, tendo por referência uma janela de tempo deslizante;
   • h) Efetuar uma comparação (60) entre o resultado do terceiro cálculo (40) e um valor de referência (50) e, em sendo o resultado do terceiro cálculo (40) maior que o valor de referência (50), gerar um sinal de alarme (70) que indica a proximidade do final de vida útil da bateria monitorada.
2. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da bateria monitorada ser uma bateria secundária de qualquer tipo ou qualquer tecnologia de fabricação.
3. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (a), caracterizado pelo fato de que, para cada bateria monitorada, o Método inclui um estágio preliminar (10) de receber as respectivas informações de tensão (11), corrente (12) e temperatura (13), obtidas por meio de sensores.
4. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (b), e reivindicação 3, caracterizado pelo fato do dito estágio preliminar (10) incluir a correção no valor da corrente (12) em função do valor da temperatura (13), e gerar um vetor composto por dados de tensão, corrente e uma informação de tempo.
5. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (c), caracterizado pelo fato do Método conter um primeiro estágio (20) que efetua o cálculo do parâmetro dV/dQ, ou seja, a taxa de variação da tensão (Δν) em função da carga (Ah) acumulada (ΔQ) durante um certo intervalo de tempo (Δt), cálculo esse efetuado com os dados dos vetores gerados de acordo com a reivindicação 4.
6. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (c), e reivindicação 5, caracterizado pelo fato do primeiro estágio (20) efetuar o cálculo do parâmetro dV/dQ na fase de recarga, ou na fase de descarga, conforme for definido por meio de um arquivo de configuração.
7. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (d), e reivindicação 6, caracterizado pelo fato do Método conter um segundo estágio de cálculo (31), o qual calcula o valor médio de uma sequência de valores de dV/dQ calculados pelo dito primeiro estágio (20), no qual a dita sequência refere-se aos valores calculados durante uma fase de recarga, ou de descarga da bateria, conforme for definido por meio de um arquivo de configuração.
8. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (e), e reivindicação 6, caracterizado pelo fato do Método conter um segundo estágio alternativo de cálculo (32), o qual calcula o valor de pico máximo de uma sequência de valores de dV/dQ calculados pelo dito primeiro estágio (20), no qual a dita sequência refere-se aos valores calculados durante uma fase de recarga, ou de descarga da bateria, conforme for definido por meio de um arquivo de configuração.
9. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (f), e reivindicações 7 e 8, caracterizado pelo fato de ser utilizada a informação do valor médio ou valor de pico máximo, como valor representativo do ciclo, sendo a seleção entre a opção valor médio ou a opção valor de pico máximo, efetuada de acordo com um arquivo de configurações.
10. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (g), e reivindicação 9, caracterizado pelo fato do Método conter um terceiro estágio (40), o qual efetua a integração dos ditos valores representativos de ciclo, tendo por referência uma janela deslizante cuja extensão pode ser configurada por meio do arquivo de configurações.
11. Método de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 1, etapa (g), e reivindicação 10, caracterizado pelo fato do resultado da dita integração do terceiro estágio (40) ser comparado com um valor de referência (50) e, em sendo maior, ser gerado um sinal de alarme (70) indicativo de proximidade de final de vida útil da bateria.
12. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, caracterizado por ser composto pelos seguintes blocos:

    • a) Um circuito de entrada (100);
    • b) Um diferenciador (200);
    • c) Um extrator de média e detector de pico máximo (300);
    • d) Um integrador de janela deslizante (400);
    • e) Um armazenador de valor de referência (500);
    • f) Um comparador (600);
    • g) Um controlador de estados (800); e
    • h) Um configurador (900).
13. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (a), caracterizado pelo fato do circuito de entrada (100) receber os sinais provenientes de sensores de tensão (11), corrente (12) e temperatura (13), efetuar a conversão analógico-digital dos mesmos, efetuar uma correção no valor da corrente (12) em função do valor da temperatura (13), e gerar uma tupla composta por valores de tensão, corrente e uma informação de tempo (time stamp).
14. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (b), e reivindicação 13, caracterizado pelo fato do diferenciador (200) ser um registrador de deslocamento tipo FIFO (First In, First Out), no qual é registrada a sequência de tuplas gerada de acordo com a reivindicação 13.
15. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (b), e reivindicação 14, caracterizado pelo fato do dito diferenciador (200) efetuar o cálculo do valor dV/dQ por meio de seu equivalente ΔV/ΔQ, no qual o valor ΔQ é obtido por meio da soma dos valores contidos nas posições de memória do registrador, e ΔV é obtido pela diferença entre os valores contidos nas extremidades do registrador.
16. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (b), e reivindicações 14 e 15, caracterizado pelo fato do dito diferenciador (200) efetuar a memorização das ditas tuplas e cálculo do dito ΔV/ΔQ somente na fase de recarga, ou somente na fase de descarga, em função de comando emanado pelo configurador (900).
17. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (c), e reivindicação 15, caracterizado pelo fato do dito extrator de média e detector de pico máximo (300) ser composto por um acumulador, o qual acumula os valores calculados de ΔV/ΔQ durante a fase de recarga, ou durante a fase de descarga, extrai a média, e, simultaneamente, identifica o valor de pico máximo da sequência ΔV/ΔQ durante a fase de recarga, ou durante a fase de descarga.
18. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (c), e reivindicação 17, caracterizado pelo fato do valor de saída do dito extrator de média e detector de pico máximo (300), denominado valor representativo do ciclo, ser selecionado entre o valor da média ou valor de pico máximo, e selecionado para a fase de recarga ou para a fase de descarga, seleções estas determinadas pelo bloco configurador (900).
19. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (d), caracterizado pelo fato do dito integrador de janela deslizante (400) ser composto por um registrador de deslocamento tipo FIFO, acoplado a um integrador.
20. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (d), e reivindicações 18 e 19, caracterizado pelo fato do dito registrador de deslocamento do dito integrador de janela deslizante (400) receber a sequência dos ditos valores representativos de ciclo, armazenando cada valor recebido em uma posição de memória e, na sequência, efetuar o cálculo da integral dos valores contidos na memória do registrador.
21. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com as reivindicações 12 (e) e (f), e reivindicação 20, caracterizado pelo fato do valor de saída do dito integrador de janela deslizante (400) ser comparado, por meio de um comparador (600) com um valor de referência (500) e, em sendo maior, ser gerado um sinal de alarme (700) indicativo de proximidade de final de vida útil da bateria.
22. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (g), caracterizado pelo fato do dito controlador de estados (800) receber os dados de tensão (11) e corrente (12) do circuito de entrada (100), armazenar a sequência de dados recebidos em uma memória e, por meio de comparação com padrões de sequência, determinar se o processo se encontra na fase de recarga ou na fase de descarga.
23. Sistema de Previsão de Final de Vida Útil de Baterias Secundárias Operando em Baixo SoC, de acordo com a reivindicação 12 (h), caracterizado pelo fato do dito configurador (900) efetuar a leitura de um arquivo de configurações e aplicar as regras de configuração aos blocos (200) e (300) (seleção da fase, entre recarga ou descarga), (300) (valor representativo do ciclo selecionado entre a média e o pico máximo) e (500) valor de referência.

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