BR102022004768A2

BR102022004768A2 - DEVICE AND PROCESS FOR CHARGING LOAD ELEMENTS IN BATTERY BANKS

Info

Publication number: BR102022004768A2
Application number: BR102022004768-5A
Authority: BR
Inventors: Álysson Raniere Seidel; Leandro Roggia; Adriano Peres De Morais; Giancarlo Clerici Daros; João Pedro Scherer Cipriani; Lucas Monteiro Ilha; Leonardo De Oliveira; Gabriel Dos Santos Alli; Luciano Favretto Da Rocha
Original assignee: Universidade Federal De Santa Maria; Companhia Estadual De Transmissão De Energia Elétrica - Ceee-T
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-09-26

Abstract

dispositivo e processo para carregamento de elementos de carga em bancos de baterias. a presente invenção descreve um carregador de um ou mais elementos de carga dispostos em banco de baterias, de forma controlada e monitorada. especificamente, a presente invenção compreende um dispositivo para carregamento de ao menos um elemento de carga associado a um banco de baterias desbalanceado, compreendendo um carregamento isolado e simultâneo sobre os elementos de carga através de conversores cc-cc formando uma malha fechada realimentada por dados de temperatura e tensão dos elementos de carga e por dados de corrente dos conversores cc-cc. a presente invenção se situa nos campos da engenharia elétrica, fonte de energia e engenharia da computação.device and process for charging charging elements into battery banks. The present invention describes a charger with one or more charging elements arranged in a battery bank, in a controlled and monitored manner. Specifically, the present invention comprises a device for charging at least one load element associated with an unbalanced battery bank, comprising isolated and simultaneous charging on the load elements through dc-dc converters forming a closed loop fed back by data. temperature and voltage of the load elements and current data from dc-dc converters. The present invention is in the fields of electrical engineering, power supply and computer engineering.

Description

Field of Invention

[0001] A presente invenção descreve um dispositivo para carregamento de ao menos um elemento de carga em banco de baterias, de forma controlada e monitorada, que compreende conversores CC-CC formando uma malha fechada realimentada por dados de temperatura, tensão e corrente dos elementos de carga, mais especificamente nos campos da engenharia elétrica, fonte de energia e engenharia da computação.[0001] The present invention describes a device for charging at least one charging element in a battery bank, in a controlled and monitored manner, which comprises DC-DC converters forming a closed loop fed back by temperature, voltage and current data from the elements. load, more specifically in the fields of electrical engineering, power supply and computer engineering.

Background of the Invention

[0002] Tecnologias são cada vez mais dependentes de energia elétrica proveniente de quaisquer fontes, seja fonte hídrica, solar, química, nuclear e outras. Para tanto, verifica-se a necessidade de fornecimento ininterrupto de energia elétrica, que em uma eventual falha da fonte, aplica-se uma fonte auxiliar como um banco de baterias.[0002] Technologies are increasingly dependent on electrical energy from any source, whether water, solar, chemical, nuclear and others. To this end, there is a need for an uninterrupted supply of electrical energy, which in the event of a source failure, requires an auxiliary source such as a battery bank.

[0003] Como no caso de subestações de energia elétrica (SEE), visando o fornecimento ininterrupto de energia, a fonte auxiliar é composta por um conjunto de baterias alimentado por um carregador. Tal conjunto de baterias corresponde a um banco de baterias com 24 até 60 elementos. Observados esses pontos, pode ocorrer o desbalanceamento de tensão de um ou mais elementos do banco de baterias. Por conseguinte, ocorre a deterioração prematura dos elementos ou até do próprio banco de baterias e posterior descarte dos mesmos.[0003] As in the case of electrical power substations (SEE), aiming at the uninterrupted supply of energy, the auxiliary source is composed of a set of batteries powered by a charger. Such a set of batteries corresponds to a battery bank with 24 to 60 elements. If these points are observed, voltage imbalance in one or more elements of the battery bank may occur. Consequently, premature deterioration of the elements or even the battery bank itself occurs and their subsequent disposal.

[0004] Na busca pelo estado da técnica em literaturas científica e patentária, foram encontrados os seguintes documentos que tratam sobre o tema:[0004] In the search for the state of the art in scientific and patent literature, the following documents were found that deal with the topic:

[0005] O documento CN112018837A revela um equipamento de equalização de baterias a partir de um conversor CA-CC (corrente alternada - corrente contínua) e um conversor CC-CC (corrente contínua - corrente contínua), de forma isolada e simultânea, sendo as baterias alimentadas por uma rede com tensão alternada de 220V. Adicionalmente, um microcontrolador do equipamento controla a potência entregue à carga no conversor CC-CC. Além disso, medidas de temperatura, tensão e corrente são tomadas e uma comunicação CAN (Controller Area Network) é utilizada para conectar os módulos com uma interface de comunicação, por exemplo, um computador. Com isso, o equipamento parte de uma tensão alternada da rede, não tratando de questões relacionadas à rede como correção do fator de potência entregue ao equipamento, e ao invés de utilizar um conversor CC-CC alimentado por um barramento CC, o equipamento aplica o conversor CA-CC alimentado pela rede em cada elemento do banco de baterias. Para a saída do equipamento, aplica-se um conversor buck com controle analógico, ao invés de um conversor forward síncrono com controle digital.[0005] Document CN112018837A discloses battery equalization equipment based on an AC-DC converter (alternating current - direct current) and a DC-DC converter (direct current - direct current), in an isolated and simultaneous manner, the batteries powered by a network with an alternating voltage of 220V. Additionally, a microcontroller in the equipment controls the power delivered to the load in the DC-DC converter. Furthermore, temperature, voltage and current measurements are taken and a CAN (Controller Area Network) communication is used to connect the modules with a communication interface, for example a computer. With this, the equipment starts from an alternating voltage from the network, not dealing with issues related to the network such as correction of the power factor delivered to the equipment, and instead of using a DC-DC converter fed by a DC bus, the equipment applies the AC-DC converter powered by the grid in each element of the battery bank. For the equipment output, a buck converter with analog control is used, instead of a synchronous forward converter with digital control.

[0006] O documento CN102751777 revela um carregador de bateria chumbo-ácida que compreende um sistema de alimentação a partir da rede, um sistema de carga de bateria e um sistema de controle. O documento descreve o circuito do carregamento, abordando uma curva desejada para o carregamento, bem como a proteção da bateria através da desconexão. Adicionalmente, o documento apresenta um display para exibir dados do carregamento. O carregador compreende alimentação por uma rede CA, um conversor CA-CC e um conversor ressonante, de modo que, o documento não aborda o carregamento e/ou equalização de parte dos elementos de um banco de baterias.[0006] Document CN102751777 discloses a lead-acid battery charger comprising a power supply system, a battery charging system and a control system. The document describes the charging circuit, addressing a desired curve for charging, as well as battery protection through disconnection. Additionally, the document features a display to display loading data. The charger comprises power supply from an AC network, an AC-DC converter and a resonant converter, so the document does not address the charging and/or equalization of part of the elements of a battery bank.

[0007] O documento EP2075892B1 revela um sistema de balanceamento de células de bateria com múltiplos controladores, de modo que, um primeiro controlador controla uma série de células, enquanto um segundo controlador controla outra série de células. Entre esses controladores, há uma célula controlada em comum, de modo que, o sistema compreende chaves em série com resistores para equalização de tensão nas células da bateria. O primeiro controlador monitora e atua no balanceamento das células conectadas ao mesmo, assim como o segundo controlador (104), monitora e atua nas células conectadas à ele. Adicionalmente, uma chave é controlada a partir do monitoramento da célula em comum e atua em paralelo, balanceando todas as células. Assim, o documento revela um monitoramento completo do sistema utilizando dois controladores para balancear a tensão em cada célula com aplicação de componentes passivos como resistores.[0007] Document EP2075892B1 discloses a battery cell balancing system with multiple controllers, such that a first controller controls a series of cells, while a second controller controls another series of cells. Between these controllers, there is a common controlled cell, so that the system comprises switches in series with resistors for voltage equalization in the battery cells. The first controller monitors and acts on the balancing of the cells connected to it, as well as the second controller (104), monitors and acts on the cells connected to it. Additionally, a switch is controlled from the monitoring of the common cell and acts in parallel, balancing all cells. Thus, the document reveals complete monitoring of the system using two controllers to balance the voltage in each cell with the application of passive components such as resistors.

[0008] O documento WO2014057088 revela um método para equalização de carga em elementos de armazenamento como supercapacitores. O método compreende etapas de medição inicial da tensão instantânea em cada célula, verificação da mínima tensão medida entre todas as células; definição da diferença de tensão instantânea de todas as células com relação à mínima tensão instantânea medida; definição do tempo de atuação de chaves de balanceamento em função da diferença definida na etapa anterior; e descarga das células. Com isso, o método apresenta monitoramento e equalização de todas as cargas do elemento de armazenamento através de componentes passivos.[0008] Document WO2014057088 discloses a method for charge equalization in storage elements such as supercapacitors. The method comprises steps of initial measurement of the instantaneous voltage in each cell, verification of the minimum voltage measured between all cells; definition of the instantaneous voltage difference of all cells in relation to the minimum instantaneous voltage measured; definition of the balancing key actuation time depending on the difference defined in the previous step; and cell discharge. Therefore, the method presents monitoring and equalization of all loads on the storage element through passive components.

[0009] O documento WO2013110381A1 revela um dispositivo e método para monitoramento de células de baterias, em que o documento apresenta uma estrutura combinacional de componentes eletrônicos e uma estrutura do dispositivo de monitoramento. Tal dispositivo não compreende ser portátil.[0009] Document WO2013110381A1 discloses a device and method for monitoring battery cells, in which the document presents a combinational structure of electronic components and a structure of the monitoring device. Such a device does not intend to be portable.

[0010] O documento EP2566007B1 revela um dispositivo e método para balanceamento de células de baterias. O método implementado pelo dispositivo compreende etapas de medições de tensão nas células das baterias, sendo que o sistema equaliza as células da bateria somente se a diferença de tensão medida for maior que uma tensão de referência, de forma que são realizados cálculos para definir se o quociente da variação da tensão em circuito aberto e o quociente da variação do estado de carga são maiores que um estado de referência. O documento descreve a lógica para equalização das células utilizando módulos para equalização de carga entre baterias, mas o referido dispositivo não realiza carregamento.[0010] Document EP2566007B1 discloses a device and method for balancing battery cells. The method implemented by the device comprises steps of voltage measurements in the battery cells, and the system equalizes the battery cells only if the measured voltage difference is greater than a reference voltage, so that calculations are carried out to define whether the open circuit voltage variation quotient and the charge state variation quotient are greater than a reference state. The document describes the logic for cell equalization using modules for charge equalization between batteries, but said device does not perform charging.

[0011] O documento EP2075892B1 revela um sistema de balanceamento de elementos em banco de baterias por meio de múltiplos controladores, de forma que o sistema equaliza a tensão nos elementos através do monitoramento individual de cada elemento e total do banco de baterias.[0011] Document EP2075892B1 discloses a system for balancing elements in a battery bank using multiple controllers, so that the system equalizes the voltage in the elements through individual monitoring of each element and the total battery bank.

[0012] O documento US7714539B2 revela um dispositivo para regular um estado de carga em bateria. O dispositivo compreende resistores com diferentes valores de resistência para descarga da bateria; de modo que, uma unidade de processamento central seleciona uma variedade de células unitárias como uma célula de conexão e seleciona um valor de resistência com base nos resistores e aplica uma tensão sobre a célula de conexão. A unidade de processamento liga e desliga grupos de chaves, de modo a realizar combinações para seleção de resistores de descarga equalizando as respectivas tensões. Com isso, o dispositivo realiza a equalização completa de todo o banco de baterias por componentes passivos como resistores.[0012] Document US7714539B2 discloses a device for regulating a state of charge in a battery. The device comprises resistors with different resistance values for battery discharge; so that, a central processing unit selects an array of unit cells as a connection cell and selects a resistance value based on the resistors and applies a voltage on the connection cell. The processing unit turns groups of switches on and off, in order to make combinations for selecting discharge resistors, equalizing the respective voltages. With this, the device performs complete equalization of the entire battery bank using passive components such as resistors.

[0013] O documento WO2009051415A2 revela um dispositivo para equalização de elementos em banco de baterias que compreende um módulo de chave conectado em paralelo ao banco de baterias; um sensor de tensão que mede a tensão em cada bateria que compõe um módulo da bateria; e um microcontrolador que controla, de acordo com as tensões medidas, qual elemento a ser carregado ou descarregado através de um carregador equalizador. O dispositivo compreende módulos de chaveamento, utilizando conversores em paralelo e diminuindo o custo do dispositivo. No entanto, necessita de conexão em todo módulo de bateria. Além disso, é necessário chaveamento através de chaves com módulo de chaveamento instalado para monitoramento de todos os elementos do banco de baterias. Assim, o referido dispositivo não apresenta portabilidade, por necessitar de conexão com todos os elementos do banco de baterias, portanto, o dispositivo compreende aplicações para uso permanente.[0013] Document WO2009051415A2 discloses a device for equalizing elements in a battery bank comprising a switch module connected in parallel to the battery bank; a voltage sensor that measures the voltage in each battery comprising a battery module; and a microcontroller that controls, according to the measured voltages, which element is to be charged or discharged through an equalizing charger. The device comprises switching modules, using converters in parallel and reducing the cost of the device. However, it requires connection to the entire battery module. Furthermore, switching is required using switches with a switching module installed to monitor all elements of the battery bank. Thus, the aforementioned device does not present portability, as it requires connection with all elements of the battery bank, therefore, the device includes applications for permanent use.

[0014] O documento US7408325B2 revela um método de carregamento de bateria que detecta a tensão em cada elemento conectado em série, baterias descarregadas que excedem uma tensão predefinida, e carrega baterias para manter o balanceamento das células. Este método de carga detecta a tensão de cada bateria sendo carregada e se detectar uma tensão da bateria excedendo o valor predefinido, somente a bateria que excede o valor é descarregada, depois de um tempo específico até a tensão atingir o valor predefinido. Assim, baterias, que não excedam a tensão predefinida, não são descarregadas, de forma que todas as baterias são balanceadas. Dessa forma, o método não revela portabilidade, se preocupando no balanceamento de todo o banco de baterias de forma estática.[0014] Document US7408325B2 discloses a battery charging method that detects the voltage at each element connected in series, discharged batteries that exceed a predefined voltage, and charges batteries to maintain cell balance. This charging method detects the voltage of each battery being charged and if it detects a battery voltage exceeding the preset value, only the battery exceeding the value is discharged, after a specific time until the voltage reaches the preset value. Therefore, batteries, which do not exceed the preset voltage, are not discharged, so all batteries are balanced. Therefore, the method does not reveal portability, focusing on balancing the entire battery bank statically.

[0015] O documento US9564763B2 revela um sistema que compreende chaves seletoras para conexão e desconexão a elementos de banco de baterias, balanceando a tensão dos elementos. Assim, ocorre uma diminuição da tensão do banco quando uma chave seletora é aberta ao identificar tensão sobre um elemento.[0015] Document US9564763B2 discloses a system comprising selector switches for connecting and disconnecting battery bank elements, balancing the voltage of the elements. Thus, there is a decrease in bank voltage when a selector switch is opened when voltage is detected on an element.

[0016] O documento US8143852B2 revela um sistema de combinação de baterias incluindo um dispositivo para otimização de estado de carga. O estado de carga otimizado depende da conexão das células e a otimização depende da quantidade de carga em um determinado estado de carga para se tornar uniforme. O sistema compreende um circuito de controle que controla a otimização; e resistores em paralelo com cada bateria para equalizar as tensões, de forma a realiza uma equalização passiva. Portanto, o referido sistema não realiza um balanceamento ativo de baterias e não apresenta ser portátil.[0016] Document US8143852B2 discloses a battery combination system including a device for state of charge optimization. The optimized charge state depends on the connection of the cells and the optimization depends on the amount of charge in a given charge state to become uniform. The system comprises a control loop that controls optimization; and resistors in parallel with each battery to equalize voltages, in order to perform passive equalization. Therefore, this system does not perform active battery balancing and is not portable.

[0017] O documento CN106786944A revela um sistema para equalização de baterias conectadas em um banco de baterias. O sistema compreende chaveamentos controlados a partir do controlador, o qual obtém os valores de tensão respectivos das baterias, que são transmitidos e convertidos a partir de um conversor analógico digital. As baterias são curto- circuitadas através dos chaveamentos para reduzir a tensão.[0017] Document CN106786944A discloses a system for equalizing batteries connected to a battery bank. The system comprises switching controlled from the controller, which obtains the respective voltage values from the batteries, which are transmitted and converted from an analog-to-digital converter. The batteries are short-circuited through the switches to reduce the voltage.

[0018] O documento US10218189B2 revela um dispositivo que entrega correntes e tensões dentro de certos limites sem precisar de circuitos auxiliares. O dispositivo recebe energia em forma de tensão ou corrente O dispositivo trata de um equalizador de baterias conectadas em um barramento/banco através de interruptores/relés, sendo as baterias carregadas e controladas de forma isolada uma da outra. O referido dispositivo não apresenta ser portátil por ser fixado ao banco de baterias.[0018] Document US10218189B2 discloses a device that delivers currents and voltages within certain limits without requiring auxiliary circuits. The device receives energy in the form of voltage or current. The device is an equalizer of batteries connected to a bus/bank through switches/relays, with the batteries being charged and controlled in isolation from each other. This device does not appear to be portable as it is attached to the battery bank.

[0019] O documento US010910858 revela um dispositivo e um método para balanceamento de baterias conectadas em série, incluindo sistema de monitoramento de tensão e temperatura das baterias. O dispositivo é alimentado através de um sistema de armazenamento de energia, com o qual possui fluxo bidirecional de energia e de informação. Para o carregamento simultâneo em mais de uma bateria, módulos são conectados às baterias. O sistema de monitoramento é integrado no módulo de carga, ambos próximos da bateria. O sistema compreende o monitoramento do estado de saúde das baterias. Dessa forma, o sistema possui baixa potência, não apresenta portabilidade e não compreende estrutura para alternar sequencialmente quais baterias são carregadas.[0019] Document US010910858 discloses a device and a method for balancing series-connected batteries, including a battery voltage and temperature monitoring system. The device is powered through an energy storage system, which provides a bidirectional flow of energy and information. For simultaneous charging of more than one battery, modules are connected to the batteries. The monitoring system is integrated into the charging module, both close to the battery. The system includes monitoring the health status of the batteries. Therefore, the system has low power, lacks portability and does not include a structure to sequentially switch which batteries are charged.

[0020] O documento US10122186 revela um sistema que integra um sistema gerenciador de baterias no próprio encapsulamento da bateria e utiliza daisy-chaining para ligar esses módulos controladores isolados e distribuídos que carregam cada um dos elementos. Nesse tipo de conexão, cada módulo é conectado apenas ao módulo anterior e ao seguinte, não sendo necessário conexão individual com um dispositivo central. Cada elemento possui um endereço único no sistema de comunicações que liga os módulos. É realizada a medição de tensão e temperatura em cada módulo de bateria configurado no sistema. Um resistor de shunté utilizado para descarregar e carregar o elemento. Cada módulo é isolado eletricamente da fonte de alimentação central. O sistema compreende ser um BMS (Battery Management System) com conexão daisy-chaining entre os módulos, evitando fiação excessiva na instalação do BMS em um banco de baterias. O referido sistema realiza conexão com todos os elementos, carregando-os permanentemente com alta corrente, sem prever conexão com novos sistemas, de forma que, o sistema não apresenta portabilidade.[0020] Document US10122186 discloses a system that integrates a battery management system into the battery encapsulation itself and uses daisy-chaining to connect these isolated and distributed controller modules that charge each of the elements. In this type of connection, each module is connected only to the previous and the next module, with no need for an individual connection to a central device. Each element has a unique address in the communications system that connects the modules. Voltage and temperature measurement is performed on each battery module configured in the system. A shunt resistor is used to discharge and charge the element. Each module is electrically isolated from the central power supply. The system comprises a BMS (Battery Management System) with daisy-chaining connection between the modules, avoiding excessive wiring when installing the BMS in a battery bank. This system connects to all elements, permanently charging them with high current, without providing for connection to new systems, so the system is not portable.

[0021] Assim, do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.[0021] Therefore, from what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present invention, so that the solution proposed here has novelty and inventive activity compared to the state of the art.

[0022] Nesse sentido, busca-se desenvolver soluções para o balanceamento de tensão de um ou mais elementos de bancos de baterias, de forma controlada e monitorada, visando eficiência e portabilidade por aplicação da solução em elementos desbalanceados de diferentes bancos de baterias para evitar a deterioração e posterior descarte de baterias. Assim, por meio de soluções que permitem a prevenção e manutenção do balanceamento de baterias, inibe-se a degradação do meio ambiente.[0022] In this sense, we seek to develop solutions for balancing the voltage of one or more elements of battery banks, in a controlled and monitored manner, aiming for efficiency and portability by applying the solution to unbalanced elements of different battery banks to avoid the deterioration and subsequent disposal of batteries. Thus, through solutions that allow the prevention and maintenance of battery balance, environmental degradation is inhibited.

Summary of the Invention

[0023] Dessa forma, a presente invenção resolve os problemas do estado da técnica a partir de um carregador de um ou mais elementos de carga dispostos em banco de baterias. Para tanto, a presente invenção apresenta um dispositivo para carregamento de forma controlada e monitorada a partir de dados obtidos por sensores de temperatura e tensão dispostos nos elementos de carga a serem carregados, além de um sensor de corrente nas saídas dos conversores CC-CC conectados aos elementos de carga.[0023] In this way, the present invention solves the problems of the prior art using a charger of one or more charging elements arranged in a battery bank. To this end, the present invention presents a device for charging in a controlled and monitored manner based on data obtained by temperature and voltage sensors arranged on the load elements to be charged, in addition to a current sensor at the outputs of the connected DC-DC converters. to the load elements.

[0024] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um dispositivo para carregamento de ao menos um elemento de carga (1) compreendido em um banco de baterias que compreende conversor de entrada (2.1), que recebe alimentação elétrica de ao menos uma rede; conjunto de conversores CC-CC (2.2) dispostos em paralelo conectado ao conversor de entrada (2.1); e um sistema de realimentação (2.7), que recebe dados de temperatura e tensão do elemento de carga (1) provindos de um módulo de sensores (2.3) e recebe dados provindos de um sensor de corrente (2.8) associado a saídas do conjunto de conversores CC-CC (2.2) ou a um conjunto de filtros de saída (2.6) conectado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2); em que, o conversor de entrada (2.1), o conjunto de conversores CC-CC (2.2) e o sistema de realimentação (2.7) são dispostos em um gabinete (2), que compreende ao menos um terminal de saída (3) associado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2); e o sistema de realimentação (2.7) controla o conversor de entrada (2.1) e o conjunto de conversores CC-CC (2.2) a partir do recebimento dos dados de temperatura, tensão e corrente.[0024] In a first object, the present invention presents a device for charging at least one load element (1) comprised in a battery bank comprising input converter (2.1), which receives electrical power from at least one network ; set of DC-DC converters (2.2) arranged in parallel connected to the input converter (2.1); and a feedback system (2.7), which receives temperature and voltage data from the load element (1) from a sensor module (2.3) and receives data from a current sensor (2.8) associated with outputs of the DC-DC converters (2.2) or a set of output filters (2.6) connected to the set of DC-DC converters (2.2); wherein, the input converter (2.1), the set of DC-DC converters (2.2) and the feedback system (2.7) are arranged in a cabinet (2), which comprises at least one output terminal (3) associated to the set of DC-DC converters (2.2); and the feedback system (2.7) controls the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) upon receipt of temperature, voltage and current data.

[0025] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo para carregamento de ao menos um elemento de carga (1) compreendido em um banco de baterias, sendo implementado por meio do dispositivo descrito anteriormente, sendo que o processo compreende as etapas de recebimento de dados de temperatura e tensão do elemento de carga (1) e dados de corrente do conjunto de conversores CC-CC (2.2) por um sistema de realimentação (2.7) compreendido no dispositivo; recebimento de parâmetros do carregamento pelo sistema de realimentação (2.7); fornecimento de tensão elétrica a um conjunto de conversores CC-CC (2.2) por um conversor de entrada (2.1), conforme parâmetros do carregamento; distribuição da tensão elétrica aos elementos de carga (1) através do conjunto de conversores CC-CC (2.2) conectado ao conversor de entrada (2.1); e monitoramento do carregamento do elemento de carga (1) através de um módulo de sensores (2.3) e de um sensor de corrente (2.8) comunicantes ao sistema de realimentação (2.7).[0025] In a second object, the present invention presents a process for charging at least one load element (1) comprised in a battery bank, being implemented by means of the device described previously, and the process comprises the steps of receiving temperature and voltage data from the load element (1) and current data from the DC-DC converter set (2.2) by a feedback system (2.7) comprised in the device; receiving charging parameters by the feedback system (2.7); supply of electrical voltage to a set of DC-DC converters (2.2) by an input converter (2.1), according to charging parameters; distribution of electrical voltage to the load elements (1) through the set of DC-DC converters (2.2) connected to the input converter (2.1); and monitoring the charging of the load element (1) through a sensor module (2.3) and a current sensor (2.8) communicating with the feedback system (2.7).

[0026] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e serão descritos detalhadamente a seguir.[0026] These and other objects of the invention will be immediately valued by those skilled in the art and will be described in detail below.

Brief Description of Figures

[0027] São apresentadas as seguintes figuras:[0027] The following figures are displayed:

[0028] A figura 1 mostra uma das possíveis concretizações de um diagrama de componentes para o dispositivo da presente invenção.[0028] Figure 1 shows one of the possible embodiments of a component diagram for the device of the present invention.

[0029] A figura 2 mostra um destaque para o microcontrolador (2.4) da figura 1.[0029] Figure 2 shows a highlight for the microcontroller (2.4) in figure 1.

Detailed Description of the Invention

[0030] Em sistemas com fornecimento ininterrupto de energia elétrica, bancos de baterias atuam como fonte, seja principal ou auxiliar, visando manter o estado de flutuação de tensão dos elementos do banco. Para tanto, a presente invenção propõe um dispositivo que permite prevenção e manutenção de baterias por meio do carregamento de um ou mais elementos de um banco de baterias desbalanceado de forma isolada e simultânea sobre os elementos do banco, inclusive permite a portabilidade do carregamento entre diferentes bancos de baterias.[0030] In systems with uninterrupted supply of electrical energy, battery banks act as a source, whether main or auxiliary, aiming to maintain the state of voltage fluctuation of the bank's elements. To this end, the present invention proposes a device that allows battery prevention and maintenance by charging one or more elements of an unbalanced battery bank in isolation and simultaneously on the elements of the bank, including allowing portability of charging between different battery banks.

[0031] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um dispositivo para carregamento de ao menos um elemento de carga (1) compreendido em um banco de baterias que compreende conversor de entrada (2.1), que recebe alimentação elétrica de ao menos uma rede; conjunto de conversores CC-CC (2.2) dispostos em paralelo conectado ao conversor de entrada (2.1); e um sistema de realimentação (2.7), que recebe dados de temperatura e tensão do elemento de carga (1) provindos de um módulo de sensores (2.3) e recebe dados provindos de um sensor de corrente (2.8) associado a saídas do conjunto de conversores CC-CC (2.2) ou a um conjunto de filtros de saída (2.6) conectado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2); em que, o conversor de entrada (2.1), o conjunto de conversores CC-CC (2.2) e o sistema de realimentação (2.7) são dispostos em um gabinete (2), que compreende ao menos um terminal de saída (3) associado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2); e o sistema de realimentação (2.7) controla o conversor de entrada (2.1) e o conjunto de conversores CC-CC (2.2) a partir do recebimento dos dados de temperatura, tensão e corrente.[0031] In a first object, the present invention presents a device for charging at least one load element (1) comprised in a battery bank comprising input converter (2.1), which receives electrical power from at least one network ; set of DC-DC converters (2.2) arranged in parallel connected to the input converter (2.1); and a feedback system (2.7), which receives temperature and voltage data from the load element (1) from a sensor module (2.3) and receives data from a current sensor (2.8) associated with outputs of the DC-DC converters (2.2) or a set of output filters (2.6) connected to the set of DC-DC converters (2.2); wherein, the input converter (2.1), the set of DC-DC converters (2.2) and the feedback system (2.7) are arranged in a cabinet (2), which comprises at least one output terminal (3) associated to the set of DC-DC converters (2.2); and the feedback system (2.7) controls the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) upon receipt of temperature, voltage and current data.

[0032] Em uma concretização, o dispositivo da invenção realiza o carregamento de um até quatro elementos de carga (1) dispostos em um banco de baterias, que atua como fonte auxiliar de uma subestação de energia elétrica (SEE). Para fins de exemplificação, sem restrição ao escopo da invenção, além de SEEs, os bancos de baterias compreendem aplicações com baterias estacionárias, como por exemplo, um conjunto de baterias chumbo ácidas aplicado em supercomputadores.[0032] In one embodiment, the device of the invention charges one to four load elements (1) arranged in a battery bank, which acts as an auxiliary source of an electrical energy substation (SEE). For the purposes of illustration, without restricting the scope of the invention, in addition to SEEs, battery banks include applications with stationary batteries, such as, for example, a set of lead acid batteries applied in supercomputers.

[0033] Em uma concretização em que o banco de baterias é associado a uma SEE, a rede compreende barramento da própria SEE, sendo uma alimentação elétrica CC, dispensando uma alimentação elétrica CA. Em uma concretização, a rede compreende tensão elétrica a partir do banco de baterias. Em uma outra concretização, a rede fornece alimentação elétrica CA.[0033] In an embodiment in which the battery bank is associated with a SEE, the network comprises the SEE's own bus, with a DC electrical supply, eliminating the need for an AC electrical supply. In one embodiment, the network comprises electrical voltage from the battery bank. In another embodiment, the network provides AC electrical power.

[0034] Em uma concretização, o conversor de entrada (2.1) é um conversor chaveado abaixador que recebe alimentação elétrica proveniente da rede. Nessa concretização, o conversor de entrada (2.1) fornece uma tensão de barramento ao conjunto de conversores CC-CC (2.2). Em uma concretização, a tensão de barramento é isolada eletricamente em relação à rede que alimenta o conversor de entrada (2.1) - sendo o isolamento opcional neste caso. A partir da tensão de barramento, o conjunto de conversores CCCC (2.2) é alimentado, de modo que os conversores do conjunto são isolados eletricamente.[0034] In one embodiment, the input converter (2.1) is a step-down switched converter that receives electrical power from the network. In this embodiment, the input converter (2.1) supplies a bus voltage to the set of DC-DC converters (2.2). In one embodiment, the bus voltage is electrically isolated from the network supplying the input converter (2.1) - isolation being optional in this case. The set of CCCC converters (2.2) is powered from the bus voltage, so that the set's converters are electrically isolated.

[0035] Em uma concretização, terminal de saída (3) corresponde a um cabeamento para conexão do conjunto de conversores CC-CC (2.2) ao elemento de carga (1). Com isso, o terminal de saída (3) fecha o circuito elétrico para carregamento do elemento de carga (1).[0035] In one embodiment, output terminal (3) corresponds to cabling for connecting the set of DC-DC converters (2.2) to the load element (1). With this, the output terminal (3) closes the electrical circuit for charging the load element (1).

[0036] Adicionalmente, o conjunto de conversores CC-CC (2.2) é conectado a ao menos um filtro de saída (2.6), de modo que, o filtro de saída (2.6) fique entre o conjunto de conversores CC-CC (2.2) e o elemento de carga (1). Em uma concretização em que o dispositivo da invenção realiza o carregamento de quatro elementos de carga (1), o conjunto de conversores CC-CC (2.2) é conectado a quatro filtros de saída (2.6), por sua vez, os filtros de saída (2.6) são conectados aos quatros elementos de carga (1). Em uma concretização, o sensor de corrente (2.8) é conectado entre o filtro de saída (2.6) e o elemento de carga (1).[0036] Additionally, the set of DC-DC converters (2.2) is connected to at least one output filter (2.6), so that the output filter (2.6) is between the set of DC-DC converters (2.2 ) and the load element (1). In an embodiment in which the device of the invention charges four load elements (1), the set of DC-DC converters (2.2) is connected to four output filters (2.6), in turn, the output filters (2.6) are connected to the four load elements (1). In one embodiment, the current sensor (2.8) is connected between the output filter (2.6) and the load element (1).

[0037] O gabinete (2) da invenção compreende quantidade de terminais de saída (3) proporcional à quantidade de elementos de carga (1) a serem carregados. Em uma concretização em que quatro elementos de carga (1) são carregados, o gabinete (2) dispõe de quatro terminais de saída (3) conectados ao conjunto de conversores CC-CC (2.2).[0037] The cabinet (2) of the invention comprises a number of output terminals (3) proportional to the number of load elements (1) to be loaded. In an embodiment in which four load elements (1) are loaded, the cabinet (2) has four output terminals (3) connected to the set of DC-DC converters (2.2).

[0038] Da mesma forma, o conjunto de conversores CC-CC (2.2) da invenção compreende quantidade de conversores CC-CC proporcional à quantidade de terminais de saída (3) para carregamento. Em uma concretização em que o gabinete (2) é provido de quatro terminais de saída (3), o conjunto de conversores CC-CC (2.2) compreende quatro conversores CC-CC.[0038] Likewise, the set of DC-DC converters (2.2) of the invention comprises a number of DC-DC converters proportional to the number of output terminals (3) for charging. In an embodiment in which the cabinet (2) is provided with four output terminals (3), the set of DC-DC converters (2.2) comprises four DC-DC converters.

[0039] Em uma concretização, o conversor de entrada (2.1) compreende uma saída de tensão para conexão em paralelo com o conjunto de conversores CC-CC (2.2). Nessa concretização, a saída de tensão se conecta aos conversores CC-CC do conjunto de conversores CC-CC (2.2), que estão dispostos em paralelo e isolados eletricamente. Para tanto, o conversor de entrada (2.1) compreende a saída de tensão que alimenta o conjunto de conversores CC-CC (2.2).[0039] In one embodiment, the input converter (2.1) comprises a voltage output for connection in parallel with the set of DC-DC converters (2.2). In this embodiment, the voltage output connects to the DC-DC converters of the DC-DC converter set (2.2), which are arranged in parallel and electrically isolated. To this end, the input converter (2.1) comprises the voltage output that feeds the set of DC-DC converters (2.2).

[0040] Além disso, o sistema de realimentação (2.7) da invenção compreende o módulo de sensores (2.3) associado ao elemento de carga (1); e um microcontrolador (2.4) comunicante ao módulo de sensores (2.3), ao conversor de entrada (2.1), ao conjunto de conversores CC-CC (2.2) e ao sensor de corrente (2.8); em que, o módulo de sensores (2.3), o sensor de corrente (2.8) e o microcontrolador (2.4) são conectados no gabinete (2).[0040] Furthermore, the feedback system (2.7) of the invention comprises the sensor module (2.3) associated with the load element (1); and a microcontroller (2.4) communicating with the sensor module (2.3), the input converter (2.1), the set of DC-DC converters (2.2) and the current sensor (2.8); where the sensor module (2.3), the current sensor (2.8) and the microcontroller (2.4) are connected to the cabinet (2).

[0041] Adicionalmente, o módulo de sensores (2.3) da invenção compreende ao menos um sensor de temperatura (2.31) e ao menos um sensor de tensão (2.32), sendo aplicados no elemento de carga (1). Em uma concretização, um elemento de carga (1) compreende conexão a um sensor de temperatura (2.31) e a um sensor de tensão (2.32). Em uma concretização, os sensores de corrente (2.8) são conectados às saídas do conjunto de conversores CC-CC (2.2)[0041] Additionally, the sensor module (2.3) of the invention comprises at least one temperature sensor (2.31) and at least one voltage sensor (2.32), being applied to the load element (1). In one embodiment, a load element (1) comprises connection to a temperature sensor (2.31) and a voltage sensor (2.32). In one embodiment, the current sensors (2.8) are connected to the outputs of the DC-DC converter assembly (2.2)

[0042] Em uma concretização, o sistema de realimentação (2.7) compreende conexão entre o conversor de entrada (2.1) e o conversor de CC-CC (2.2), formando uma malha fechada. Nessa concretização, a malha fechada é realimentada pelo módulo de sensores (2.3) e pelo sensor de corrente (2.8) que enviam, dados de temperatura e tensão dos elementos de carga (1) e dados de corrente do conjunto de conversores (2.2) ao microcontrolador (2.4) do sistema de realimentação (2.7).[0042] In one embodiment, the feedback system (2.7) comprises a connection between the input converter (2.1) and the DC-DC converter (2.2), forming a closed loop. In this embodiment, the closed loop is fed back by the sensor module (2.3) and the current sensor (2.8) that send temperature and voltage data from the load elements (1) and current data from the set of converters (2.2) to the microcontroller (2.4) of the feedback system (2.7).

[0043] Ademais, o gabinete (2) da invenção compreende uma interface de configuração (2.5) em que parâmetros do carregamento são predefinidos. Em uma concretização, os parâmetros do carregamento são tensão, temperatura e corrente limites, número de elementos de carga (1) a serem carregados e modo de carga rápida/lenta.[0043] Furthermore, the cabinet (2) of the invention comprises a configuration interface (2.5) in which charging parameters are predefined. In one embodiment, the charging parameters are voltage, temperature and current limits, number of charging elements (1) to be charged and fast/slow charging mode.

[0044] Em uma concretização, a interface de configuração (2.5) compreende um módulo de armazenamento que fornece um relatório sobre o carregamento dos elementos de carga (1). O relatório compreende curvas de carga e histórico de tensão para o elemento de carga (1). Em uma concretização, o histórico de carregamento do elemento de carga (1) é armazenado em banco de dados, de modo que o elemento de carga (1) é identificado através da interface de configuração (2.5).[0044] In one embodiment, the configuration interface (2.5) comprises a storage module that provides a report on the loading of the load elements (1). The report comprises load curves and voltage history for the load element (1). In one embodiment, the loading history of the load element (1) is stored in a database, so that the load element (1) is identified through the configuration interface (2.5).

[0045] Em uma concretização, o gabinete (2) é provido do conversor de entrada (2.1) conectado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2), por sua vez, o conjunto de conversores CC-CC (2.2) é conectado aos filtros de saída (2.6) e, por fim, os filtros de saída (2.6) são conectados aos elementos de carga (1) por meio dos terminais de saída (3). Adicionalmente, o gabinete (2) é provido do sistema de realimentação (2.7) que envia dados de temperatura, tensão e corrente obtidos pelo módulo de sensores (2.3) e pelo sensor de corrente (2.8) ao microcontrolador (2.4). Ademais, o gabinete (2) é provido de parâmetros do carregamento predefinidos através da interface de configuração (2.5).[0045] In one embodiment, the cabinet (2) is provided with the input converter (2.1) connected to the set of DC-DC converters (2.2), in turn, the set of DC-DC converters (2.2) is connected to the output filters (2.6) and, finally, the output filters (2.6) are connected to the load elements (1) through the output terminals (3). Additionally, the cabinet (2) is provided with a feedback system (2.7) that sends temperature, voltage and current data obtained by the sensor module (2.3) and the current sensor (2.8) to the microcontroller (2.4). Furthermore, the cabinet (2) is provided with predefined charging parameters through the configuration interface (2.5).

[0046] De modo cíclico, a malha fechada compreende o recebimento de tais dados pelo microcontrolador (2.4), que realiza um processamento dos dados, de modo a adicionar parâmetros do carregamento. Em uma concretização, os parâmetros do carregamento adicionais são sequência de elementos de carga (1) a serem carregados, corrente e tensão do elemento de carga (1) para carregamento. Nessa concretização, a sequência de elementos de carga (1) otimiza o tempo de carregamento.[0046] In a cyclical manner, the closed loop comprises the receipt of such data by the microcontroller (2.4), which performs data processing, in order to add charging parameters. In one embodiment, additional charging parameters are sequence of charging elements (1) to be charged, current and voltage of the charging element (1) for charging. In this embodiment, the sequence of charging elements (1) optimizes the charging time.

[0047] Com isso, o gabinete (2) compreende modularização de componentes que permite o recebimento de atualizações e modificações de hardware e software dos componentes associados ao gabinete (2). Em uma concretização, o gabinete (2) permite atualização de software, alterando o funcionamento do conjunto de conversores CC-CC (2.2), do microcontrolador (2.4) e da interface de configuração (2.5). Com isso, alterações são realizadas no gabinete (2), para fins de exemplificação, o aumento de potência do conversor de entrada (2.1). Além disso, em uma concretização, o gabinete (2) compreende associação a um acessório de deslocamento do dispositivo da invenção, possibilitando o transporte do dispositivo entre bancos de baterias. Nessa concretização, o acessório de deslocamento do dispositivo da invenção é um case.[0047] Therefore, the cabinet (2) comprises modularization of components that allows the receipt of hardware and software updates and modifications of the components associated with the cabinet (2). In one embodiment, the cabinet (2) allows software updating, changing the operation of the set of DC-DC converters (2.2), the microcontroller (2.4) and the configuration interface (2.5). Therefore, changes are made to the cabinet (2), for example purposes, the increase in power of the input converter (2.1). Furthermore, in one embodiment, the cabinet (2) comprises an association with a device displacement accessory of the invention, enabling the device to be transported between battery banks. In this embodiment, the displacement accessory of the device of the invention is a case.

[0048] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta um processo para carregamento de ao menos um elemento de carga (1) compreendido em um banco de baterias, sendo implementado por meio do dispositivo descrito anteriormente, sendo que o processo compreende as etapas de recebimento de dados de temperatura e tensão do elemento de carga (1) e dados de corrente do conjunto de conversores CC-CC (2.2) por um sistema de realimentação (2.7) compreendido no dispositivo; recebimento de parâmetros do carregamento pelo sistema de realimentação (2.7); fornecimento de tensão elétrica a um conjunto de conversores CC-CC (2.2) por um conversor de entrada (2.1), conforme parâmetros do carregamento; distribuição da tensão elétrica aos elementos de carga (1) através do conjunto de conversores CC-CC (2.2) conectado ao conversor de entrada (2.1); e monitoramento do carregamento do elemento de carga (1) através de um módulo de sensores (2.3) e de um sensor de corrente (2.8) comunicantes ao sistema de realimentação (2.7).[0048] In a second object, the present invention presents a process for charging at least one load element (1) comprised in a battery bank, being implemented by means of the device described previously, and the process comprises the steps of receiving temperature and voltage data from the load element (1) and current data from the DC-DC converter set (2.2) by a feedback system (2.7) comprised in the device; receiving charging parameters by the feedback system (2.7); supply of electrical voltage to a set of DC-DC converters (2.2) by an input converter (2.1), according to charging parameters; distribution of electrical voltage to the load elements (1) through the set of DC-DC converters (2.2) connected to the input converter (2.1); and monitoring the charging of the load element (1) through a sensor module (2.3) and a current sensor (2.8) communicating with the feedback system (2.7).

[0049] A etapa de recebimento de dados temperatura e tensão do elemento de carga (1) compreende leitura de temperatura e tensão por sensor de temperatura (2.31) e sensor de tensão (2.32), respectivamente, sendo os sensores (2.31 e 2.32) associados a um módulo de sensores (2.3) pertencente ao sistema de realimentação (2.7); e leitura de corrente por sensor de corrente (2.8) conectado a saídas do conjunto de conversores CC-CC (2.2).[0049] The stage of receiving temperature and voltage data from the load element (1) comprises temperature and voltage reading by temperature sensor (2.31) and voltage sensor (2.32), respectively, the sensors (2.31 and 2.32) being associated with a sensor module (2.3) belonging to the feedback system (2.7); and current reading by current sensor (2.8) connected to outputs of the DC-DC converter set (2.2).

[0050] Em uma concretização, o sistema de realimentação (2.7) compreende conexão entre o conversor de entrada (2.1) e o conjunto de conversores de CC-CC (2.2), formando uma malha fechada. Nessa concretização, a malha fechada é realimentada pela leitura de temperatura, tensão e corrente. A leitura é realizada pelo módulo de sensores (2.3) e pelo sensor de corrente (2.8) que enviam dados de temperatura e tensão dos elementos de carga (1) e dados de corrente do conjunto de conversores (2.2) a um microcontrolador (2.4) pertencente ao sistema de realimentação (2.7).[0050] In one embodiment, the feedback system (2.7) comprises a connection between the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2), forming a closed loop. In this embodiment, the closed loop is fed back by reading temperature, voltage and current. The reading is carried out by the sensor module (2.3) and the current sensor (2.8) which send temperature and voltage data from the load elements (1) and current data from the set of converters (2.2) to a microcontroller (2.4) belonging to the feedback system (2.7).

[0051] Adicionalmente, a etapa de recebimento de parâmetros do carregamento compreende uma etapa de processamento dos dados de temperatura, tensão e corrente realizada por meio do microcontrolador (2.4). A referida etapa de processamento adiciona parâmetros do carregamento, para fins de exemplificação, sequência de elementos de carga (1) a serem carregados, corrente e tensão do elemento de carga (1) para carregamento.[0051] Additionally, the stage of receiving charging parameters comprises a stage of processing temperature, voltage and current data carried out by means of the microcontroller (2.4). Said processing step adds charging parameters, for exemplary purposes, sequence of charging elements (1) to be charged, current and voltage of the charging element (1) for charging.

[0052] Ainda, a etapa de recebimento de parâmetros do carregamento compreende uma etapa de predefinição de parâmetros do carregamento através de uma interface de configuração (2.5) associada ao dispositivo. Em uma concretização, a referida etapa de predefinição compreende a inserção de parâmetros do carregamento, para fins de exemplificação, tensão, temperatura e corrente limites, número de elementos de carga (1) a serem carregados e modo de carga rápida/lenta. Em uma concretização, são inseridos parâmetros temporais, de modo que até um certo momento o dispositivo da invenção opera sob determinados parâmetros, e depois deste momento, opera sob parâmetros diferentes, inclusive com o desligamento do dispositivo ao final do carregamento.[0052] Furthermore, the stage of receiving loading parameters comprises a stage of predefining loading parameters through a configuration interface (2.5) associated with the device. In one embodiment, said predefinition step comprises the insertion of charging parameters, for exemplification purposes, voltage, temperature and current limits, number of charging elements (1) to be charged and fast/slow charging mode. In one embodiment, temporal parameters are inserted, so that until a certain moment the device of the invention operates under certain parameters, and after this moment, it operates under different parameters, including turning off the device at the end of charging.

[0053] Em uma concretização, o microcontrolador (2.4) verifica parâmetros de segurança, para fins de exemplificação, limitações de tensão, corrente e temperatura, os quais se sobrepõem aos parâmetros de carregamento predefinidos.[0053] In one embodiment, the microcontroller (2.4) checks safety parameters, for exemplification purposes, voltage, current and temperature limitations, which override the predefined charging parameters.

[0054] Em uma concretização, um gabinete (2) associado ao dispositivo para carregamento compreende um conversor de entrada (2.1) conectado ao conjunto de conversores CC-CC (2.2), por sua vez, o conjunto de conversores CC-CC (2.2) conectado aos elementos de carga (1) por meio de terminais de saída (3). Ainda nessa concretização, o gabinete (2) compreende o sistema de realimentação (2.7) dotado do módulo de sensores (2.3) e do microcontrolador (2.4) conectado ao sensor de corrente (2.8). Adicionalmente, a conexão entre o conjunto de conversores CC-CC (2.2) e os elementos de carga (1) compreende ao menos um filtro de saída (2.6). Em uma concretização, o gabinete (2) compreende quatro filtros de saída (2.6) conectados ao conjunto de conversores CC-CC (2.2) e aos elementos de carga (1).[0054] In one embodiment, a cabinet (2) associated with the charging device comprises an input converter (2.1) connected to the set of DC-DC converters (2.2), in turn, the set of DC-DC converters (2.2 ) connected to the load elements (1) via output terminals (3). Still in this embodiment, the cabinet (2) comprises the feedback system (2.7) equipped with the sensor module (2.3) and the microcontroller (2.4) connected to the current sensor (2.8). Additionally, the connection between the set of DC-DC converters (2.2) and the load elements (1) comprises at least one output filter (2.6). In one embodiment, the cabinet (2) comprises four output filters (2.6) connected to the set of DC-DC converters (2.2) and the load elements (1).

[0055] Com isso, a etapa de fornecimento de tensão elétrica a um conjunto de conversores CC-CC (2.2) compreende conexão do conjunto de conversores CC-CC (2.2) a saída de tensão disposta no conversor de entrada (2.1) para conexão em paralelo com o conjunto de conversores CC-CC (2.2). Em uma concretização, o fornecimento de tensão elétrica ao conjunto de conversores CC-CC (2.2) é isolado eletricamente da rede que alimenta o conversor de entrada (2.1). Em seguida, a saída de tensão do conversor de entrada (2.1) se conecta aos conversores CC-CC do conjunto de conversores CC-CC (2.2), que estão dispostos em paralelo e isolados eletricamente.[0055] Therefore, the step of supplying electrical voltage to a set of DC-DC converters (2.2) comprises connecting the set of DC-DC converters (2.2) to the voltage output arranged in the input converter (2.1) for connection in parallel with the set of DC-DC converters (2.2). In one embodiment, the electrical voltage supply to the set of DC-DC converters (2.2) is electrically isolated from the network that supplies the input converter (2.1). Then, the voltage output of the input converter (2.1) connects to the DC-DC converters of the DC-DC converter set (2.2), which are arranged in parallel and electrically isolated.

[0056] Dessa forma, a etapa de distribuição da tensão elétrica aos elementos de carga (1) ocorre através do conjunto de conversores CC-CC (2.2) que compreende conexão com os elementos de carga (1) através dos terminais de saída (3).[0056] In this way, the stage of distributing the electrical voltage to the load elements (1) occurs through the set of DC-DC converters (2.2) which comprises connection with the load elements (1) through the output terminals (3 ).

[0057] Por fim, a etapa de monitoramento do carregamento do elemento de carga (1) compreende controle do conversor de entrada (2.1) e do conjunto de conversores CC-CC (2.2) a partir do recebimento dos dados de temperatura e tensão provindos do módulo de sensores (2.3) e a partir do recebimento dos dados de corrente provindos do sensor de corrente (2.8).[0057] Finally, the stage of monitoring the charging of the load element (1) comprises control of the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) based on receipt of temperature and voltage data from from the sensor module (2.3) and from receiving current data from the current sensor (2.8).

[0058] O controle do conversor de entrada (2.1) e do conjunto de conversores CC-CC (2.2) é realizado através da malha fechada realimentada com dados de temperatura e tensão dos elementos de carga (1) através do sistema de realimentação (2.7) e com dados de corrente do conjunto de conversores CC-CC (2.2). Com isso, o carregamento dos elementos de carga (1) é interrompido/finalizado conforme parâmetros do carregamento. Em uma concretização, essa interrupção é realizada automaticamente através do software implementado no dispositivo da invenção. Por fins de exemplificação, no momento em que algum parâmetro ultrapassar os parâmetros predefinidos, o dispositivo desliga automaticamente e desligamento é informado por sinalização através de LEDs, aviso sonoro e display.[0058] The control of the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) is carried out through the closed loop fed back with temperature and voltage data from the load elements (1) through the feedback system (2.7 ) and with current data from the DC-DC converter set (2.2). As a result, the loading of the load elements (1) is interrupted/ended according to the loading parameters. In one embodiment, this interruption is performed automatically through software implemented in the device of the invention. For illustrative purposes, when any parameter exceeds the predefined parameters, the device switches off automatically and the shutdown is informed by signaling through LEDs, audible warning and display.

[0059] Adicionalmente, a etapa de monitoramento do carregamento compreende fornecimento de um relatório sobre o carregamento dos elementos de carga (1) através de uma pluralidade de conexões externas com a interface de configuração (2.5), para fins de exemplificação, computadores e cartões de memória flash.[0059] Additionally, the charging monitoring step comprises providing a report on the charging of the charging elements (1) through a plurality of external connections to the configuration interface (2.5), for example purposes, computers and cards of flash memory.

[0060] Nesse sentido, o dispositivo para carregamento da invenção apresenta portabilidade e versatilidade por possibilitar o carregamento de um ou mais elementos de um mesmo banco de baterias, ou de diferentes bancos baterias, considerando que o dispositivo possa ser transportado para bancos de baterias distantes entre si.[0060] In this sense, the charging device of the invention presents portability and versatility by enabling the charging of one or more elements from the same battery bank, or from different battery banks, considering that the device can be transported to distant battery banks each other.

[0061] Além disso, destaca-se maior segurança proporcionada pelo dispositivo da invenção, uma vez que os elementos a serem carregados não necessitam ser retirados do banco de baterias, evitando falhas de reconexão como um curto-circuito. Opcionalmente, o elemento também pode ser carregado de modo desconectado do banco de baterias, sendo que o dispositivo da invenção é dotado de um sistema de realimentação que provê dados de temperatura, tensão e corrente para monitoramento e controle do carregamento.[0061] Furthermore, the greater safety provided by the device of the invention stands out, since the elements to be charged do not need to be removed from the battery bank, avoiding reconnection failures such as a short circuit. Optionally, the element can also be charged disconnected from the battery bank, and the device of the invention is equipped with a feedback system that provides temperature, voltage and current data for monitoring and controlling charging.

[0062] Somada a essas vantagens, o dispositivo da invenção inibe o descarte prematuro de baterias por possibilitar intervenções e manutenções mais eficientes de bancos de baterias ao realizar o carregamento somente dos elementos que estão desbalanceados no banco de baterias, dispensando a instalação permanente de carregadores de baterias. Assim, o dispositivo para carregamento determina a sequência de elementos para carregamento de forma eficaz, preservando a vida útil do banco de baterias em si, além do banco de baterias manter o fornecimento da energia elétrica, seja como fonte principal ou auxiliar. Portanto, a aplicação do dispositivo da invenção contribui para o meio ambiente, evitando o desperdício de baterias.[0062] In addition to these advantages, the device of the invention inhibits the premature disposal of batteries by enabling more efficient interventions and maintenance of battery banks by charging only elements that are unbalanced in the battery bank, eliminating the need for permanent installation of chargers of batteries. Thus, the charging device determines the sequence of charging elements effectively, preserving the useful life of the battery bank itself, in addition to the battery bank maintaining the supply of electrical energy, whether as a main or auxiliary source. Therefore, the application of the invention device contributes to the environment, avoiding battery waste.

[0063] No mais, as vantagens de adaptação do dispositivo da invenção se mostram tanto externamente por meio do carregamento de um ou mais elementos e do transporte entre diferentes bancos de baterias, quanto internamente por meio da modularização de componentes que permite atualizações de software/hardware, promovendo uma maior aplicabilidade e versatilidade do dispositivo.[0063] Furthermore, the advantages of adapting the device of the invention are shown both externally through charging one or more elements and transporting them between different battery banks, and internally through the modularization of components that allows software updates/ hardware, promoting greater applicability and versatility of the device.

Example 1 - Charger of element(s) in battery banks for SEE

[0064] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo sem limitar, o escopo da mesma.[0064] The examples shown here are intended only to exemplify one of the countless ways of carrying out the invention, however without limiting its scope.

Example 1

[0065] O carregador do exemplo é aplicado a um banco de baterias composto por um conjunto de sessenta baterias chumbo ácidas, sendo o banco de baterias uma fonte auxiliar de uma subestação de energia elétrica (SEE), visando o fornecimento ininterrupto de energia pela SEE. O carregador atua sobre o desbalanceamento de tensão de um ou mais elementos, pois realiza o carregamento dos mesmos, evitando a deterioração prematura de elementos e do próprio banco de baterias.[0065] The charger in the example is applied to a battery bank composed of a set of sixty lead-acid batteries, the battery bank being an auxiliary source of an electrical power substation (SEE), aiming at the uninterrupted supply of energy by the SEE . The charger acts on the voltage imbalance of one or more elements, as it charges them, preventing premature deterioration of elements and the battery bank itself.

[0066] O carregador do exemplo compreende um conversor de entrada (2.1) como sendo um conversor chaveado abaixador que recebe alimentação elétrica a partir da rede proveniente da tensão completa do banco de baterias; conjunto de conversores CC-CC (2.2) sendo quatro conversores isolados e conectados em paralelo ao conversor de entrada (2.1); e um sistema de realimentação (2.7), que recebe dados de temperatura e tensão do elemento de carga (1) provindos de um sensor de temperatura (2.31) e de um sensor de tensão (2.32) conectados nos elementos de carga (1); e recebe dados de corrente do conjunto de conversores CC-CC (2.2) provindos de um sensor de corrente (2.8) conectados a saídas do conjunto de conversores CC-CC (2.2).[0066] The example charger comprises an input converter (2.1) as a step-down switched converter that receives electrical power from the network from the full voltage of the battery bank; set of DC-DC converters (2.2), four isolated converters connected in parallel to the input converter (2.1); and a feedback system (2.7), which receives temperature and voltage data from the load element (1) from a temperature sensor (2.31) and a voltage sensor (2.32) connected to the load elements (1); and receives current data from the set of DC-DC converters (2.2) coming from a current sensor (2.8) connected to outputs of the set of DC-DC converters (2.2).

[0067] Com isso, o gabinete (2) disposto no carregador compreende o sistema de realimentação (2.7); conversor de entrada (2.1) dotado de quatro saídas de tensão; o conjunto de conversores CC-CC (2.2) conectado ao conversor de entrada (2.1) e conectado a quatro filtros de saída (2.6). Os filtros de saída (2.6) são conectados em conexão paralela no conjunto de conversores CC-CC (2.2) isolados. Com isso, os filtros de saída (2.6) são conectados a quatro terminais de saída (3), sendo os terminais de saída (3) cabeamentos aplicados aos quatro elementos de carga (1). Adicionalmente, o gabinete (2) é provido de uma interface de configuração (2.5) para predefinição de parâmetros do carregamento por uma tela, além de que a interface de configuração (2.5) compreende um módulo de armazenamento que fornece relatórios sobre o carregamento dos elementos de carga (1).[0067] Therefore, the cabinet (2) arranged in the charger comprises the feedback system (2.7); input converter (2.1) equipped with four voltage outputs; the set of DC-DC converters (2.2) connected to the input converter (2.1) and connected to four output filters (2.6). The output filters (2.6) are connected in parallel connection to the set of isolated DC-DC converters (2.2). Therefore, the output filters (2.6) are connected to four output terminals (3), with the output terminals (3) wiring applied to the four load elements (1). Additionally, the cabinet (2) is provided with a configuration interface (2.5) for predefining loading parameters via a screen, in addition to the configuration interface (2.5) comprising a storage module that provides reports on the loading of elements. load (1).

[0068] Dessa forma, um operador do carregador do exemplo realiza as seguintes etapas posicionamento do gabinete (2) próximo ao banco de baterias a ser carregado; conexão dos terminais de saída (3) em cada um dos quatro elementos de carga (1); conexão do módulo de sensores (2.3) sendo um sensor de temperatura (2.31) e um sensor de tensão (2.32) em cada um dos quatro elementos de carga (1) conforme mostrado na figura 1.[0068] In this way, a charger operator in the example performs the following steps, positioning the cabinet (2) close to the battery bank to be charged; connecting the output terminals (3) to each of the four load elements (1); connection of the sensor module (2.3) being a temperature sensor (2.31) and a voltage sensor (2.32) on each of the four load elements (1) as shown in figure 1.

[0069] Após as conexões nos elementos de carga (1), o operador predefine parâmetros do carregamento por meio da interface de configuração (2.5) como sendo tensão, temperatura e corrente limites, número de elementos de carga (1) a serem carregados e modo de carga rápida/lenta. Para o exemplo, os parâmetros do carregamento dependem da capacidade nominal das baterias. Para baterias chumbo-ácidas de capacidade 250 Ah, os parâmetros de carregamento são, considerando uma carga completa, corrente de 25 A até que uma tensão predeterminada (em torno de 2,4 V) seja atingida. Uma vez atingida a tensão predeterminada, define-se um novo limite de tensão constante de 2,2 V para finalizar o carregamento.[0069] After connections to the load elements (1), the operator predefines charging parameters through the configuration interface (2.5) such as voltage, temperature and current limits, number of load elements (1) to be loaded and fast/slow charge mode. For example, charging parameters depend on the nominal capacity of the batteries. For lead-acid batteries with a capacity of 250 Ah, the charging parameters are, considering a full charge, a current of 25 A until a predetermined voltage (around 2.4 V) is reached. Once the predetermined voltage is reached, a new constant voltage limit of 2.2 V is defined to complete charging.

[0070] Assim, um microcontrolador (2.4) associado ao sistema de realimentação (2.7) do carregador recebe esses parâmetros do carregamento predefinidos bem como realiza o processamento dos dados de temperatura e tensão provindos dos sensores (2.31 e 2.32) e dos dados de corrente provindos do sensor de corrente (2.8). A partir disso, o microcontrolador (2.4) adiciona parâmetros do carregamento como sequência dos elementos de carga (1) a serem carregados, corrente e tensão do elemento de carga (1) para carregamento.[0070] Thus, a microcontroller (2.4) associated with the charger's feedback system (2.7) receives these predefined charging parameters as well as processing the temperature and voltage data from the sensors (2.31 and 2.32) and the current data coming from the current sensor (2.8). From there, the microcontroller (2.4) adds charging parameters such as the sequence of load elements (1) to be charged, current and voltage of the load element (1) for charging.

[0071] O microcontrolador (2.4) compreende geração de sinal PWM (2.41); controle do barramento (2.42); tensão de flutuação por temperatura (2.43); controle de corrente (2.44); controle de tensão (2.45) e seletor de modo (2.46) conforme mostrado na figura 2.[0071] The microcontroller (2.4) comprises PWM signal generation (2.41); bus control (2.42); temperature fluctuation voltage (2.43); current control (2.44); voltage control (2.45) and mode selector (2.46) as shown in figure 2.

[0072] A tensão da rede que alimenta o conversor de entrada (2.1) compreende uma faixa de tensões CC de 48 V a 150 V. O conversor de entrada (2.1), a partir dessa alimentação, fornece uma tensão de barramento fixa de 12 V ao conjunto de conversores CC-CC (2.2), de forma controlada pelo controle de barramento (2.42).[0072] The network voltage that feeds the input converter (2.1) comprises a range of DC voltages from 48 V to 150 V. The input converter (2.1), from this supply, provides a fixed bus voltage of 12 Go to the set of DC-DC converters (2.2), controlled by the bus control (2.42).

[0073] A tensão de flutuação por temperatura (2.43) corresponde ao limite de tensão constante de 2,2 V para finalizar o carregamento sendo a tensão final em que o elemento de carga (1) é mantido no final do período de carregamento. Com o objetivo de não sobrecarregar ou subcarregar o elemento de carga (1), essa tensão final é compensada a partir da medição de temperatura através do sensor de temperatura (2.31) e uma equação configurável, geralmente provida pelo fabricante do modelo de bateria, para fins de exemplificação, 4 mV/°C de variação de temperatura. O controle de corrente (2.44) compreende um controlador clássico do tipo PID que recebe uma referência de corrente e a corrente atual do elemento de carga (1), sendo a corrente medida pelo sensor de corrente (2.8). Com isso, o microcontrolador (2.4) determina uma razão cíclica por geração de sinal PWM (2.41) no conjunto de conversores CC-CC (2.2), mantendo a corrente no elemento de carga (1) o mais próximo possível dessa referência de corrente.[0073] The temperature fluctuation voltage (2.43) corresponds to the constant voltage limit of 2.2 V to complete charging, being the final voltage at which the charging element (1) is maintained at the end of the charging period. In order not to overcharge or undercharge the load element (1), this final voltage is compensated from the temperature measurement through the temperature sensor (2.31) and a configurable equation, generally provided by the battery model manufacturer, to For example purposes, 4 mV/°C temperature variation. The current control (2.44) comprises a classic PID controller that receives a current reference and the current from the load element (1), with the current being measured by the current sensor (2.8). With this, the microcontroller (2.4) determines a cyclic ratio by generating a PWM signal (2.41) in the set of DC-DC converters (2.2), keeping the current in the load element (1) as close as possible to this current reference.

[0074] Adicionalmente, o controle de tensão (2.45) compreende um controlador clássico do tipo PID que recebe uma referência de tensão e a tensão presente no elemento de carga (1) medida pelo sensor de tensão (2.32), sendo a referência de tensão provida pelo operador através da interface de configuração (2.5) e/ou pela tensão de flutuação por temperatura (2.43). A partir disso, determina-se uma referência de corrente que serve de entrada para o controle de corrente (2.44).[0074] Additionally, the voltage control (2.45) comprises a classic PID type controller that receives a voltage reference and the voltage present in the load element (1) measured by the voltage sensor (2.32), the voltage reference being provided by the operator through the configuration interface (2.5) and/or the temperature fluctuation voltage (2.43). From this, a current reference is determined that serves as input for current control (2.44).

[0075] Enfim, o seletor de modo (2.46) determina se a referência do controle de corrente (2.44) será provida diretamente pela curva de carga predeterminada, pelo operador, ou, alternativamente, pelo controle de tensão (2.45).[0075] Finally, the mode selector (2.46) determines whether the current control reference (2.44) will be provided directly by the predetermined load curve, by the operator, or, alternatively, by the voltage control (2.45).

[0076] Assim, o sistema de realimentação (2.7) forma a malha fechada realimentada pela leitura de temperatura, tensão e corrente, de modo que a leitura é realizada pelo módulo de sensores (2.3) e pelo sensor de corrente (2.8) que enviam dados de temperatura e tensão dos elementos de carga (1) e dados de corrente do conjunto de conversores (2.2) a um microcontrolador (2.4) pertencente ao sistema de realimentação (2.7).[0076] Thus, the feedback system (2.7) forms the closed loop fed back by the temperature, voltage and current reading, so that the reading is carried out by the sensor module (2.3) and the current sensor (2.8) that send temperature and voltage data from the load elements (1) and current data from the set of converters (2.2) to a microcontroller (2.4) belonging to the feedback system (2.7).

[0077] Com isso, possibilita-se o controle do conversor de entrada (2.7) e do conjunto de conversores CC-CC (2.2) além do monitoramento do carregamento. O monitoramento do carregamento compreende fornecimento de relatórios sobre o carregamento dos elementos de carga (1) descrevendo curvas de carga e histórico de tensão para cada um dos quatro elementos de carga (1) com saída pela interface de configuração (2.5) conectado a computadores e cartões de memória flash.[0077] This makes it possible to control the input converter (2.7) and the set of DC-DC converters (2.2) in addition to monitoring charging. Charging monitoring comprises providing reports on the charging of the load elements (1) describing load curves and voltage history for each of the four load elements (1) with output via the configuration interface (2.5) connected to computers and flash memory cards.

[0078] Em uma eventual falha contrária aos parâmetros do carregamento, o carregador interrompe o carregamento. De outro modo, caso o carregamento ocorra conforme parâmetros do carregamento, o operador desconecta o carregador dos quatro elementos de carga (1) e repete o processo de carregamento aos demais elementos de carga (1) do banco de baterias, até que o banco de baterias esteja balanceado.[0078] In the event of a possible failure contrary to the charging parameters, the charger stops charging. Otherwise, if charging occurs according to charging parameters, the operator disconnects the charger from the four charging elements (1) and repeats the charging process for the other charging elements (1) of the battery bank, until the battery bank batteries are balanced.

[0079] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes e alternativas, abrangidas pelo escopo das reivindicações a seguir.[0079] Those skilled in the art will value the knowledge presented here and will be able to reproduce the invention in the modalities presented and in other variants and alternatives, covered by the scope of the following claims.

Claims

1. Device for charging at least one load element (1) comprised in a battery bank characterized by comprising: a. input converter (2.1), which receives electrical power from at least one network; B. set of DC-DC converters (2.2) arranged in parallel connected to the input converter (2.1); and c. a feedback system (2.7), which receives temperature and voltage data from the load element (1) from a sensor module (2.3) and receives data from at least one current sensor (2.8) associated with outputs of the set of DC-DC converters (2.2); wherein, - the input converter (2.1), the set of DC-DC converters (2.2) and the feedback system (2.7) are arranged in a cabinet (2), which comprises at least one output terminal (3) associated with the set of DC-DC converters (2.2); and - the feedback system (2.7) controls the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) upon receipt of temperature, voltage and current data.

2. Charging device, according to claim 1, characterized in that the cabinet (2) comprises a number of output terminals (3) proportional to the number of load elements (1) to be loaded.

3. Charging device, according to claim 1 or 2, characterized in that the set of DC-DC converters (2.2) comprises a number of DC-DC converters proportional to the number of output terminals (3).

4. Charging device according to claim 1, characterized in that the feedback system (2.7) comprises: a. the sensor module (2.3) associated with the load element (1); and b. a microcontroller (2.4) communicating with the sensor module (2.(3) to the input converter (2.1) and the current sensor (2.8); wherein, the sensor module (2.3), the current sensor (2.8) and the microcontroller (2.4) are arranged in the cabinet (2).

5. Charging device according to claim 4, characterized in that the sensor module (2.3) comprises at least one temperature sensor (2.31); and at least one voltage sensor (2.32), being applied to the load element (1).

6. Charging device according to claim 1, characterized in that the cabinet (2) comprises a configuration interface (2.5) in which charging parameters are predefined.

7. Charging device, according to claim 1, characterized in that the set of DC-DC converters (2.2) is connected to at least one output filter (2.6).

8. Process for charging at least one charging element (1) comprised in a battery bank, being implemented by means of the device of claim 1, the process being characterized by comprising the steps of: a. receiving temperature and voltage data from the load element (1) and current data from the DC-DC converter set (2.2) by a feedback system (2.7) comprised in the device; B. receiving charging parameters by the feedback system (2.7); w. supply of electrical voltage to a set of DC-DC converters (2.2) by an input converter (2.1), according to charging parameters; d. distribution of electrical voltage to the load elements (1) through the set of DC-DC converters (2.2) connected to the input converter (2.1); and is. monitoring the charging of the load element (1) through a sensor module (2.3) and a current sensor (2.8) communicating with the feedback system (2.7).

9. Process for loading, according to claim 8, characterized by the step of receiving loading parameters comprising: a. a temperature, voltage and current data processing step; and b. a stage of predefining charging parameters through a configuration interface (2.5) associated with the device.

10. Process for charging, according to claim 8, characterized by the step of monitoring the charging of the load element (1) comprising control of the input converter (2.1) and the set of DC-DC converters (2.2) from the receiving temperature and voltage data from the sensor module (2.3) and receiving current data from the current sensor (2.8).