BR112012002656B1

BR112012002656B1 - método de operar uma bateria de chumbo-ácido, método de carregar uma bateria de chumbo-ácido, aparelho carregador para carregar uma bateria de chumboácido e aparelho de suprimento e armazenamento de energia

Info

Publication number: BR112012002656B1
Application number: BR112012002656A
Authority: BR
Inventors: Evans Rhodri; Coldrick Wayne
Original assignee: Eh Europe Gmbh
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2019-12-17
Also published as: GB0913769D0; AU2010280511B2; CN102474114A; BR112012002656A2; WO2011015806A1; EP2462678B1; AU2010280511A1; US20120139476A1; ZA201200461B; EP2462678A1

Abstract

método de operar uma bateria de chumbo-ácido, método de carregar uma bateria de chumbo-ácido, aparelho carregador para carregar uma bateria de chumbo-ácido e aparelho de suprimento e armazenamento de energia a presente invenção refere-se a um método de operar uma bateria de chumbo-ácido (3) no qual a bateria é monitorada durante a descarga e a carga da bateria (3) e a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3), tal como a carga total perdida da bateria (3) fornecida à bateria (3) é gravada e a tensão fornecida durante a carga da bateria (3) é ajustada dependendo desta informação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODO DE OPERAR UMA BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO, MÉTODO DE CARREGAR UMA BATERIA DE CHUMBO-ÁCIDO, APARELHO CARREGADOR PARA CARREGAR UMA BATERIA DE CHUMBOÁCIDO E APARELHO DE SUPRIMENTO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA.

[001] A presente invenção refere-se aos métodos de operar e carregar uma bateria de chumbo-ácido, a um aparelho para carregar uma bateria de chumbo-ácido e a um sistema de armazenamento de energia que compreende baterias de chumbo-ácido e um aparelho carregador.

[002] Nos anos recentes muitos avanços foram feitos para melhorar a eficácia e a confiabilidade das baterias de chumbo-ácido. Durante o tempo de vida de uma bateria de chumbo-ácido ela será tipicamente descarregada e carregada muitas vezes. Isso é especialmente verdade em aplicações de força motriz, tais como empilhadeiras, carrinhos de golfe e outros veículos acionados por bateria que incluem máquinas de limpeza e polimento acionadas por bateria onde a bateria regularmente é descarregada durante um período, por exemplo, durante o dia e é carregada em um outro período, por exemplo, durante a noite. Mesmo em algumas aplicações de força de reserva, por exemplo, suprimentos de força de reserva para sistemas de telecomunicação, pode haver um grau significante de oscilação entre um estado parcial ou totalmente descarregado e um estado carregado, por exemplo, em localizações onde interrupções do suprimento de força principal são frequentes. Durante a descarga e carga cíclica da bateria as reações colaterais ocorrem, o que gasta um pouco da força fornecida para carregar a bateria e que também gradualmente causa alterações na eletroquímica da bateria e os materiais resultam em eventual falha da bateria.

[003] Os sistemas de carga de bateria podem ser categorizados em três grupos principais. No primeiro grupo, referido como sistemas

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2/20 de tensão constante, o sistema de carga aplica uma tensão constante por célula. No começo da carga, o fluxo de corrente será alto, muitas vezes no valor de pico, (supondo-se que a bateria esteja em um estado de descarga significante) e é, muitas vezes, deliberadamente limitado pelo sistema de carga a fim de evitar danos à bateria. À medida que a bateria se aproxima da carga completa, a tensão de equilíbrio/repouso da bateria aumenta e a diferença entre aquela tensão em repouso e a tensão aplicada pelos sistemas de carga diminui, desse modo, fazendo com que a corrente que flui para a bateria também caia. No segundo tipo de sistema, conhecido como sistemas de corrente constante, o algoritmo de controle do sistema de carga ajusta continuamente a tensão por célula aplicada à bateria a fim de manter a corrente na bateria em um nível definido. O terceiro tipo de sistema é essencialmente um hibrido dos dois primeiros e pode ser referido como um sistema híbrido. Em um tal sistema híbrido, o algoritmo de carga tipicamente aplica um regime de tensão constante primeiro até que a bateria esteja, a maior parte, carregada e, então, muda para um regime de corrente constante por um período definido de tempo. Alguns sistemas híbridos têm algoritmos mais complexos, os quais aplicam inúmeras fases de corrente constante e de tensão constante, de acordo com uma rotina pré-determinada. Outros sistemas de carga também são conhecidos, tais como, carga por pulso. Os sistemas de carga são tipicamente controlados por um microprocessador que opera de acordo com um algoritmo. Os sistemas de carga de todos os tipos muitas vezes também incluem um sensor para medir a temperatura da bateria e o algoritmo pode ser projetado para ajustar a tensão/corrente de carga de acordo com a temperatura medida. Os sistemas de carga são tipicamente dedicados a um tipo em particular de bateria e são vendidos pelo fabricante de bateria junto com as baterias como um pacote.

[004] Recentemente, os sistemas surgiram no mercado nos quais

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3/20 cada bateria é fornecida com um dispositivo encaixado ao cabo DC principal da bateria para monitorar e gravar os dados da corrente, tensão (diferença potencial), temperatura e, opcionalmente, nível de eletrólito. Estes dados podem ser transferidos por download de maneira sem fio para a estação de carga quando a bateria é levada para a estação para carga, desse modo, dando ao operador do sistema informação útil relacionada à utilização da bateria e também advertindo o usuário de quaisquer defeitos. Um tal sistema é o dispositivo de monitoramento de bateria sem fio WI-IQ disponível pela EnerSys Inc.

[005] No entanto, ainda permanece uma necessidade de aperfeiçoar a capacidade e a confiabilidade cíclicas do tempo de vida das baterias de chumbo-ácido.

[006] Na atenuação desta necessidade, a presente invenção fornece um método de operar uma bateria de chumbo-ácido no qual a bateria é submetida às fases de descarga durante as quais a bateria é pelo menos parcialmente descarregada e às fases de carga durante as quais a bateria é pelo menos parcialmente carregada e que envolve: [007] monitorar e gravar a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria; e [008] durante uma fase de carga, conectar a bateria a um aparelho carregador e aplicar uma tensão à bateria em que a tensão é ajustada dependendo da informação gravada relacionada ao historio de descarga e/ou carga da bateria.

[009] Em um aspecto adicional, a presente invenção fornece um método de carregar uma bateria de chumbo-ácido que compreende as etapas de:

[0010] conectar a bateria a um aparelho carregador;

[0011] obter a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria;

[0012] aplicar à bateria uma tensão em que a tensão é ajustada dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou

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4/20 carga da bateria.

[0013] Em um aspecto separado a invenção fornece um aparelho para carregar uma bateria de chumbo-ácido que compreende:

[0014] meios de comunicação dispostos para obter a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria; e [0015] meios de controle dispostos para controlar uma tensão aplicada à bateria durante a carga da bateria dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria.

[0016] Em um aspecto ainda mais adicional a invenção fornece um aparelho de suprimento e armazenamento de energia que compreende:

[0017] uma ou mais baterias de chumbo-ácido;

[0018] meios para monitorar e gravar a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria; e [0019] um aparelho carregador para carregar a bateria ou baterias que compreende meios de controle dispostos para controlar uma tensão aplicada à bateria ou para cada bateria durante a carga da bateria ou de cada bateria dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria ou de cada uma.

[0020] Os presentes inventores descobriram que o tempo de vida útil de uma bateria de chumbo-ácido pode ser significativamente prolongado se a tensão aplicada durante a carga for controlada pelo menos em parte dependendo do histórico da bateria, em particular, o histórico de descarga e/ou carga da bateria em seu tempo de vida, a fim de controlar a carga retornada para a bateria. O controle da tensão tipicamente envolve selecionar uma tensão a ser aplicada à bateria durante a carga. Assim, ao variar a tensão aplicada à bateria durante a carga de acordo com onde a bateria está em seu tempo de vida útil, as reações colaterais que ocorrem durante a carga da bateria podem ser reduzidas, desse modo, prolongando o tempo de vida útil da bateria.

[0021] A invenção é aplicável a qualquer sistema de carga que se

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5/20 aplique uma tensão definida durante toda ou parte da fase de carga. A invenção é particularmente aplicável aos sistemas de tensão constante e aos sistemas híbridos. No último tipo de sistema, a tensão aplicada durante as partes de tensão constante da fase de carga é controlada de acordo com o método da invenção.

[0022] Durante uma vida útil de uma bateria de chumbo-ácido em uma aplicação de força motriz, por exemplo, uma bateria para empilhadeira, a bateria será pelo menos parcialmente descarregada durante a operação da empilhadeira. Quando a carga na bateria cair para um determinado nível, diga-se cerca de 20% da capacidade da bateria (o que corresponde à profundidade de descarga, ou DOD, de 80%), a bateria necessitará carregar e o operador irá, portanto, levá-la a uma estação de carga onde ela pode ser conectada a um aparelho carregador e carregada. Uma vez carregada, a bateria é ajustada para uso novamente. Ao longo do tempo de vida da bateria, esta oscilação entre os estados descarregado e carregado ocorre muitas vezes. Por exemplo, uma bateria que possui uma capacidade de carga total de 100 Amp horas pode ser especificada pelo fabricante para dar 600 ciclos de descarga/carga em um nível de 80% de profundidade de descarga. A capacidade total de energia pretendida sobre a bateria em seu tempo de vida útil pode ser calculada como 100 Amps horas x 0,80 x 600 que é igual em total a 48.000 Amp horas.

[0023] Durante a carga da bateria uma tensão é aplicada à bateria, a qual pode obviamente, ser maior do que a tensão gerada pela bateria a fim de inverter as reações químicas que ocorrem na bateria durante a fase de descarga. Por exemplo, para uma bateria de chumboácido que opera em uma tensão de descarga nominal de, 2,0 Volts por célula, o aparelho carregador pode aplicar uma tensão de carga de,

2,4 Volts por célula.

[0024] Conforme mencionado acima, em alguns sistemas a temperatura da bateria é continuamente monitorada e o aparelho carregador

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6/20 controla a tensão aplicada à bateria a fim de levar em consideração aquela temperatura para que a tensão de carga aplicada seja a ótima para o tipo em particular de bateria naquela temperatura.

[0025] À medida que uma bateria é carregada, a corrente que flui na bateria será tipicamente reduzida de maneira gradual, muito embora a tensão aplicada seja mantida substancialmente constante até que, à medida que a bateria se aproxima de um nível completo de carga, o fluxo de corrente tende a se nivelar a um valor final. A corrente na bateria no ponto onde a bateria é substancialmente carregada por completo é conhecida como o fim da corrente de carga. Os presentes inventores descobriram que ao controlar a tensão aplicada durante a carga dependendo do histórico de descarga e/ou carga da bateria o tempo de vida útil da bateria pode ser prolongado.

[0026] A informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria pode se referir, por exemplo, ao histórico de descarga da bateria em seu tempo de vida ou pode se referir ao histórico de carga da bateria em seu tempo de vida ou pode se referir tanto ao histórico de descarga quanto ao de carga da bateria em seu tempo de vida. A informação pode se referir, por exemplo, à quantidade total de carga que foi descarregada da bateria. Altemativamente, a informação pode se referir, por exemplo, à quantidade total de carga que foi fornecida à bateria durante as fases de carga. Opcionalmente, a informação se refere ao número de fases de descarga que a bateria experimentou. Opcionalmente, a informação refere-se ao número de fases de carga que a bateria experimentou.

[0027] Em uma modalidade preferida, a tensão aplicada à bateria durante a carga é ajustada dependendo da informação gravada relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria tal que a tensão aplicada à bateria durante as fases de carga progressivamente reduz ao longo do tempo de vida da bateria. A tensão aplicada à bateria não precisa ser reduzida abaixo da tensão mínima para admitir carga na

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7/20 bateria, que é tipicamente acerca de 2,21 Volts por célula. A tensão inicial aplicada durante a primeira fase de carga que a bateria experimenta será tipicamente substancialmente maior do que a tensão mínima a fim de que a bateria seja carregada em um quadro de tempo razoável. Por exemplo, a tensão aplicada à bateria durante a fase de carga inicial pode estar na região de 2,25 a 2,60 Volts por célula, por exemplo, na faixa de 2,35 a 2,50 Volts por célula, e especialmente preferivelmente pode estar na faixa de 2,35 a 2,45 Volts por célula dependendo da química de chumbo-ácido específica envolvida. A seleção da Tensão também pode ser influenciada pela temperatura ambiente da bateria. A tensão aplicada à bateria durante as fases de carga é opcionalmente reduzida de maneira contínua no tempo de vida da bateria. Opcionalmente, a tensão aplicada à bateria durante as fases de carga é reduzida de maneira gradativa no tempo de vida da bateria. [0028] Opcionalmente, a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria refere-se a pelo menos um parâmetro relacionado ao histórico de descarga e/ou carga da bateria e a tensão aplicada à bateria é ajustada tal que ela reduz gradativamente em valores predeterminados do parâmetro. Por exemplo, o parâmetro pode ser a carga total aplicada à bateria durante as fases de carga anteriores. Como uma ilustração, uma bateria do tipo mencionada acima que possui uma capacidade total de energia pretendida em seu tempo de vida planejado de 48.000 Amp horas pode ter experimentado 150 fases de carga que recebem uma média de 80 Amp horas durante cada fase de carga, fazendo uma carga total fornecida à bateria de 80 Amp horas x 150 = 12.000 Amp horas. A bateria estaria, portanto, a 25% do caminho de seu tempo de vida pretendido.

[0029] A extensão de cada redução gradativa e o número de reduções gradativas feitas no tempo de vida da bateria pode variar em uma faixa ampla, sempre tendo em mente a necessidade de manter a tensão por célula aplicada à bateria em um nível que irá alcançar o carrePetição 870190094144, de 20/09/2019, pág. 12/33

8/20 gamento da bateria em um tempo viável. A redução gradativa mínima que é viável aplicar será determinada na prática pela alteração da tensão mínima que pode ser sentida pelo sistema. A alteração ou cada alteração da etapa em tensão pode ser, por exemplo, na região de 1 a 50 milivolts por célula, opcionalmente de 1 a 30 milivolts por célula, preferivelmente na faixa de 2 a 20 milivolts por célula, e mais preferivelmente na faixa de 2 a 10 milivolts por célula. O número de alterações de etapa aplicadas no tempo de vida da bateria será preferivelmente pelo menos duas e pode, por exemplo, estar na faixa de 2 a 20, mais preferivelmente na faixa de 5 a 15. As etapas podem estar em intervalos regulares ou intervalos irregulares. Preferivelmente, elas estão em intervalos regulares. Por exemplo, o método pode envolver reduzir a tensão de carga aplicada à bateria por um nível na faixa de 1 a 50 milivolts por célula, mais preferivelmente de 2 a 30 milivolts por célula, em intervalos regulares na faixa de 2 a 20% da energia total pretendida planejada para a bateria em seu tempo de vida planejado. Posto de um outro modo, em uma modalidade, quando a energia total fornecida ou descarregada da bateria chega a uma porcentagem que está na faixa de 2 a 20% de sua capacidade total de energia pretendida, ou um múltiplo desta porcentagem, a tensão aplicada durante a carga pode ser reduzida por uma quantidade na faixa de 1 a 50 milivolts por célula, preferivelmente de 2 a o 30 milivolts por célula. Por exemplo, para uma bateria que possui uma capacidade total de energia planejada em seu tempo de vida de 48.000 Amp horas o método pode envolver reduzir a tensão aplicada durante a carga por 10 milivolts por célula toda vez que a carga total fornecida à bateria durante a carga chegar a 4.800 Amp horas (10% do tempo de vida pretendido da bateria) ou um múltiplo dela.

[0030] As referências no presente para descarregar ou carregar uma bateria não devem ser feitas para sugerir que a bateria é completamente descarregada ou completamente carregada, a menos que o

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9/20 contexto torne claro que este é o significado pretendido. De fato, as baterias são tipicamente descarregadas até uma profundidade de descarga de menos do que 100%, por exemplo, menos do que 80%, a fim de evitar danos à bateria.

[0031] O método da invenção não exige que a bateria seja completamente carregada durante uma fase de carga, à medida que pode ser desejável, por razões operacionais, encurtar a carga.

[0032] Alguns veículos operados por bateria possuem sistemas de frenagem que geram a corrente que é alimentada a bateria durante a operação da bateria no veículo, desse modo, melhorando a eficiência de energia. Tais sistemas de frenagem não são considerados como “aparelho carregador” conforme este termo é usado no presente. Em tais sistemas, o fluxo de corrente de volta para a bateria do sistema de frenagem também será monitorado de modo que a verdadeira profundidade de descarga da bateria possa ser calculada.

[0033] Está dentro do escopo da invenção aplicar à bateria cargas ocasionais, nas quais a tensão não é ajustada de acordo com o método da invenção. Por exemplo, uma carga de equalização, que é uma carga “extra” periodicamente aplicada com o objetivo de equalizar o estado da carga das células em série, pode ser aplicada à bateria. Tais cargas de equalização não são consideradas como “fases de carga” conforme este termo é usado no presente.

[0034] Será observado que as referências no presente para ajustar ou controlar a tensão aplicada à bateria durante a carga dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria não devem ser feitas para sugerir que a tensão é controlada apenas com referência a esta informação. Em muitos casos, a tensão real aplicada à bateria durante a carga será controlada de acordo com diversos critérios diferentes dos quais a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria é apenas um. Alguns outros critérios irão incluir tipicamente um limite de corrente e a temperatura

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10/20 da bateria. Ademais, quando o sistema de carga aplica um limite de corrente durante a parte adiantada da fase de carga, a corrente que flui nesta bateria estará tipicamente neste limite (supondo-se que a bateria esteja em uma profundidade de descarga significante) e então, durante esta parte da fase de carga o ajuste da tensão dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria tipicamente não terá efeito no fluxo de corrente. À medida que a bateria se aproxima de um estado completo de carga o suprimento de corrente para a bateria irá tipicamente reduzir bem abaixo do limite de corrente. O ajuste da tensão dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria, portanto, terá mais efeito durante aquela última parte do ciclo de carga.

[0035] O método também pode envolver medir a temperatura da bateria durante a carga da bateria e ajustar a tensão aplicada à bateria dependendo desta temperatura.

[0036] Dessa maneira, a tensão real aplicada à bateria em qualquer momento durante um ciclo de carga será tipicamente controlada por um ou mais fatores dos quais a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria é apenas um. O importante é que se todos os outros fatores forem iguais (por exemplo, supondo-se que qualquer limite de corrente não se aplica e supondo-se que as temperaturas são iguais) a tensão aplicada à bateria será alterada dependendo desta informação, por exemplo, para reduzir a tensão aplicada durante a carga à medida que a bateria passa de seu tempo de vida útil.

[0037] O método da invenção pode envolver as etapas de i) fornecer uma tensão de carga de base inicial predeterminada, ii) reduzir esta tensão de carga de base inicial predeterminada dependendo do histórico de descarga e/ou carga da bateria para dar uma tensão de carga ajustada, iii) opcionalmente, ajustar ainda mais esta tensão de carga de base ajustada dependendo de um limite de corrente e/ou da

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11/20 temperatura da bateria e iv) aplicar a tensão de carga ajustada, ou, caso aplicável, a tensão de carga ainda mais ajustada, à bateria, desse modo, carregando a bateria.

[0038] A bateria pode ser qualquer bateria de chumbo-ácido. O método é particularmente aplicável às baterias que são submetidas a um grau significante de oscilação entre os estados de baixa carga e de alta carga, mas não é limitado às tais baterias. As baterias nas aplicações de força motriz tipicamente experimentam um alto nível de oscilação, mas algumas aplicações de força de reserva também envolvem altos níveis de oscilação. Opcionalmente, a bateria é uma bateria usada em uma aplicação de força motriz.

[0039] A bateria pode ser, por exemplo, uma bateria de chumboácido não selada ou uma bateria de chumbo-ácido regulada por válvula (VRLA). Uma bateria de VRLA pode ser uma bateria de manta de fibra de vidro absorvente ou do tipo de gel. Em uma modalidade, a bateria é uma bateria de chumbo-ácido de chumbo puro com fina camada (TPPL). Tais baterias de TPPL são bem-conhecidas para a pessoa versada e têm placas de uma liga em particular que possui um alto conteúdo de chumbo e que têm vantagens significantes em termos de resistência à corrosão e força mais alta e densidade de energia e resistência interna inferior sobre as placas feitas a partir das ligas convencionais. As baterias de TPPL geralmente possuem grades dotadas de uma espessura de 1,50 milímetros ou menos.

[0040] As baterias de TPPL, até recentemente, foram usadas principalmente em aplicações de força de reserva, mas ao longo dos anos mais recentes os avanços em desenho aumentaram o desempenho da oscilação para o ponto onde agora se encontra aplicação em aplicações de força motriz. Por exemplo, a bateria XFC da EnerSys é uma bateria de TPPL que visa às aplicações em força motriz, tais como paleteiras e semelhantes. As baterias de TPPL têm as vantagens de que elas a) não exigem o enchimento de eletrólito, b) elas podem ser carPetição 870190094144, de 20/09/2019, pág. 16/33

12/20 regadas mais rapidamente do que as baterias não seladas, por exemplo, em 2 a 4 horas em vez de 8 horas, c) elas fornecem alta potência e densidade de energia, d) elas carregam eficientemente e, e) elas têm menor resistência interna. Os projetos da bateria de TPPL também são disponíveis com um alto grau de resistência à vibração que é, logicamente, uma vantagem para as aplicações de força motriz.

[0041] O aparelho carregador para uso no método da invenção irá envolver meios para obter a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria e um meio de controle disposto para controlar uma tensão aplicada à bateria durante a carga da bateria dependendo desta informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria. O aparelho para carregar pode, por exemplo, incluir meios para identificar cada bateria em particular e para medir e gravar a quantidade de carga (isto é, o produto da corrente e do tempo) fornecida a esta bateria durante cada fase de carga desta bateria e para gravar um total desta carga fornecida.

[0042] Preferivelmente, a bateria compreende pelo menos um sensor capaz de produzir informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria e um depósito de memória para gravar esta informação. O sensor opcionalmente sente pelo menos um parâmetro relacionado ao histórico de descarga e/ou carga da bateria, por exemplo, o fluxo de corrente dentro e/ou fora da bateria. O sensor pode, por exemplo, ser um sensor de corrente de efeito de Hall ou preferivelmente uma derivação. Preferivelmente, o aparelho para carregar compreende meios de comunicação dispostos para se comunicar com a bateria e, desse modo, obter a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria. Os meios de comunicação podem ser um meio de comunicação com fio. O meio de comunicação é, vantajosamente, um aparelho de comunicação sem fio disposto para se comunicar de maneira sem fio com a unidade de monitoramento e gravação na bateria que monitora e grava a informação relacionada ao

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13/20 histórico de descarga e/ou carga da bateria. As baterias que possui tais unidades para sentir e gravar os parâmetros, tais como a carga total fornecida da bateria e o nível de eletrólito da bateria, estão disponíveis pela EnerSys Incorporated sob o nome comercial WI-IQ. Quando a bateria é levada para um aparelho carregador, a informação é transferida de maneira sem fio para o aparelho carregador que usa um protocolo de comunicação sem fio.

[0043] O meio de controle do aparelho carregador preferivelmente inclui um microprocessador e um depósito de memória que armazena instruções para o microprocessador para selecionar a tensão a ser aplicada à bateria durante a carga pelo menos dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria. Essas instruções estarão preferivelmente na forma de um algoritmo. Por exemplo, as instruções podem estar na forma de um algoritmo que seleciona a tensão a ser aplicada à bateria dependendo pelo menos de: [0044] a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria, e [0045] a temperatura da bateria.

[0046] O sistema de carga é opcionalmente um sistema de carregamento de tensão constante. O sistema de carga é opcionalmente um sistema de carga híbrido.

[0047] O aparelho de suprimento e armazenamento de energia da invenção inclui uma ou mais baterias de chumbo-ácido e um aparelho carregador conforme descrito acima. O aparelho de suprimento e armazenamento de energia pode ser, por exemplo, uma pluralidade de baterias de força motriz e um ou mais aparelhos carregadores, conforme descrito acima.

[0048] Em uma modalidade em particular, a invenção fornece um método de operar uma bateria de chumbo-ácido no qual a bateria é submetida, de maneira cíclica, às fases de descarga durante as quais a bateria é descarregada e às fases de carga durante as quais a batePetição 870190094144, de 20/09/2019, pág. 18/33

14/20 ria é carregada e nas quais o método envolve monitorar e gravar a informação relacionada à carga total fornecida ou descarregada da bateria e, durante a carga da bateria, conectar a bateria a um aparelho carregador e aplicar uma tensão à bateria na qual a tensão é ajustada dependendo a) da carga total previamente fornecida ou descarregada da bateria, e b) a temperatura da bateria.

[0049] A invenção também fornece, em uma modalidade adicional, um aparelho de suprimento e armazenamento de energia que compreende uma pluralidade de baterias de chumbo-ácido, sendo que cada bateria é fornecida com meios de sentir e gravar para sentir e gravar a carga total fornecida à bateria e/ou descarregada da bateria, sendo que o aparelho compreende adicionalmente um aparelho carregador para carregar as baterias, que compreende meios de controle dispostos para controlar a tensão fornecida a cada bateria durante a carga desta bateria dependendo de a) a carga total fornecida à bateria durante o carregamento anterior ou a carga total descarregada da bateria durante a operação anterior da bateria, e b) a temperatura da bateria, e sendo que o aparelho compreende adicionalmente meios de comunicação para comunicar de maneira sem fio a informação relacionada à temperatura e à carga total fornecida e/ou descarregada da bateria a partir dos meios de sentir e gravar de cada bateria para os meios de controle do aparelho carregador.

[0050] O aparelho de suprimento e armazenamento de energia pode ser disposto para, pelo menos parcialmente, descarregar a bateria ou as baterias durante uma fase de operação na qual a bateria ou as baterias não são conectadas à estação de carga e para pelo menos parcialmente carregar as baterias em uma fase de carga na qual a bateria ou as baterias são conectadas ao aparelho carregador.

[0051] Uma modalidade da invenção será, agora, descrita para os fins de ilustração apenas, com referência às figuras, nas quais:

[0052] a figura 1 mostra uma representação ilustrativa da corrente

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15/20 contra o tempo durante a carga de uma bateria de chumbo-ácido; [0053] a figura 2 mostra um exemplo de uma representação da tensão de carga contra a carga total fornecida à bateria de acordo com a invenção;

[0054] a figura 3 mostra uma representação da carga retornada durante o carregamento contra inúmeros ciclos de descarga/carga para uma bateria de chumbo-ácido em um programa de carga convencional e uma bateria de chumbo-ácido em um programa de carga de acordo com o método da invenção;

[0055] a figura 4 ilustra esquematicamente uma modalidade do método da invenção; e [0056] a figura 5 ilustra esquematicamente uma modalidade do aparelho de suprimento e armazenamento de energia da invenção.

[0057] a figura 1 mostra um perfil típico da corrente i em um eixo geométrico y representado contra o tempo t no eixo geométrico x durante a carga de uma bateria de chumbo-ácido. A tensão de carga de base para uma bateria de chumbo-ácido irá, geralmente, estar na região de 2,35 a 2,45 Volts por célula dependendo do desenho da bateria opcionalmente modificado para levar em consideração a temperatura de uma bateria. Por exemplo, para uma bateria de chumbo puro com placa fina, a tensão de carga de base pode ser, por exemplo, 2,35 Volts por célula, igualando a 14,1 Volts para uma bateria de seis células. À medida que o tempo passa e o nível de carga na bateria aumenta, chega um ponto E onde a corrente que flui na bateria cai abaixo do limite predeterminado D. À medida que a bateria carrega a corrente continua a cair até que em direção ao fim do ciclo de carga o fluxo de corrente se nível, conforme mostrado na figura 1. Nesta figura, a linha sólida A representa o perfil de carregamento de uma bateria relativamente nova enquanto as linhas quebradas B e C representem o perfil de carregamento da mesma bateria no meio e em direção ao fim, respectivamente, de seu tempo de vida útil. Conforme pode ser visto na

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16/20 figura 1, a corrente no fim do ciclo da carga aumenta à medida que a bateria envelhece.

[0058] A figura 2 mostra um exemplo de um perfil da tensão de carga aplicada a uma bateria de acordo com o método da invenção. A tensão aplicada à bateria durante a carga (ignorando-se quaisquer ajustes feitos para contar com a temperatura da bateria e outros fatores) começa em um valor predeterminado inicial de 14,1 Volts, que corresponde a 2,35 Volts por célula para uma bateria de 6 células. A bateria é projetada pelo fabricante para ter uma capacidade de carga de 100 Amp horas e para ter um tempo de vida especificado de 600 ciclos em 80% de profundidade de descarga. Dessa maneira, a capacidade total de energia especificada para a bateria é 48.000 Amp horas. Na figura 2, a carga total C fornecida à bateria durante o carregamento é mostrada no eixo geométrico X. Conforme retratado na figura 2, a tensão aplicada durante a carga é reduzida gradativamente em intervalos regulares de 4.800 Amp horas durante o tempo de vida da bateria e eventualmente chega a 14,0 Volts em uma carga total charge fornecida durante o carregamento de 48.000 Amp horas, que corresponde a 100% da vida especificada da bateria. Qualquer carregamento adicional é realizado neste e nenhuma redução adicional se aplica. Opcionalmente, as reduções adicionais à tensão de carregamento poderiam ser feitas, se desejado, em cargas totais maiores do que a capacidade total de energia especificada da bateria, contanto que a tensão não caia abaixo do requerido para carregar a bateria em um tempo de funcionamento.

[0059] Em uma modalidade preferida, as reduções gradativas na tensão de carregamento ocorrem mais frequentemente, e envolvem maiores reduções em tensão, à medida que a bateria envelhece, para que as reduções mais frequentes e maiores sejam aplicadas na última parte do tempo de vida da bateria.

EXEMPLO

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17/20 [0060] Uma bateria de chumbo-ácido puro com fina placa (XFC, disponível pela EnerSys) foi submetida às fases de descarga cíclicas, nas quais a bateria foi descarregada em uma corrente fixa por um período de tempo definido calculado para dar uma profundidade de descarga de 80%, e às fases de carga nas quais uma tensão de carregamento de 2,40 Volts por célula foi aplicada à bateria submetida a um limite de corrente de 75 Amps. A quantidade de carga retornada para a bateria durante cada fase de carga foi monitorada e gravada.

[0061] O experimento foi repetido usando-se uma bateria idêntica e condições idênticas, mas a tensão de carregamento foi diminuída por 10 milivolts por célula a cada 50 ciclos.

[0062] A figura 3 mostra os resultados de uma representação de, no eixo geométrico y, a carga retornada para a bateria durante cada fase de carga como uma porcentagem da carga nominal descarregada da bateria durante uma fase de descarga e, no eixo geométrico x, o número de ciclos. A linha A mostra os resultados para a bateria em uma tensão de carregamento de 2,40 Volts por célula constantes e a linha B mostra os resultados para a bateria que foi carregada em uma tensão de carga que era inicialmente 2,40 Volts por célula e que caiu por 10 milivolts por célula a cada 50 ciclos. Conforme pode ser visto a partir da figura 3, nos primeiros 20 ou mais ciclos, ambas as linhas caíram mostrando um pequeno aumento inicial na eficiência do carregamento da bateria. No entanto, depois deste ponto, a linha A progressivamente aumentou mostrando que a quantidade de carga exigida para carregar a bateria na tensão da carga fixa aumentou à medida que o número de ciclos experimentados pela bateria aumentou, o que é indicativo de um aumento em nível de reações colaterais que levam à eventual falha da bateria em X ciclos. Em contrapartida, a linha B permanece essencialmente constante em um nível de 103 a 104 % de retorno de carga que indica que o nível de reações colaterais que ocorrem durante a carga é substancialmente reduzido em comparação

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18/20 à outra bateria. Além do mais, a linha B se estende para 1,3 X ciclos mostrando que esta bateria que experimenta uma redução progressiva em tensão durante o carregamento tem o potencial para um tempo de vida prolongado em comparação à outra bateria que experimentou uma tensão de carregamento constante.

[0063] A figura 4 ilustra esquematicamente uma modalidade do método da invenção. Uma bateria de chumbo-ácido, por exemplo, uma bateria em uma empilhadeira, quando recentemente fabricada e adquirida pelo operador é conectada à empilhadeira pela primeira vez e é, então, é descarregada em uma fase de descarga 1, através do uso da empilhadeira, diga-se, um turno padrão de 8 horas. No fim da fase de descarga 1, a bateria é parcial ou completamente descarregada e é conectada pelo operador a um aparelho carregador. O aparelho carregador, então, carrega a bateria durante uma fase de carga 2.

[0064] Quando a bateria é substancialmente recarregada por completo, por exemplo, depois de ser recarregada durante a noite, ela é desconectada do aparelho carregador e é usada em novamente em uma outra fase de descarga 1. O padrão cíclico das fases de descarga 1 e das fases de carga 2 continua através do tempo de vida da bateria, até que a capacidade da bateria de reter a carga caia para um nível inaceitável e a bateria seja descarregada.

[0065] Durante a fase de carga 2, o aparelho carregador aplica à bateria uma tensão que é selecionada com base pelo menos em parte no histórico de descarga e/ou recarga da bateria, por exemplo, o número de fases de descarga 1 que a bateria experimentou em seu tempo de vida ou a quantidade total de carga gasta pela bateria durante as fases de descarga 1 em seu tempo de vida ou a quantidade total de carga fornecida à bateria durante as fases de carga 2 em seu tempo de vida. A tensão aplicada também pode ser influenciada pelos outros fatores, por exemplo, a temperatura da bateria.

[0066] A figura 5 ilustra uma modalidade do aparelho de suprimenPetição 870190094144, de 20/09/2019, pág. 23/33

19/20 to e armazenamento de energia da invenção. Três baterias de chumbo-ácido 3 são conectadas por meio de cabos elétricos a um aparelho carregador 4. As linhas pontilhadas mostradas na figura 5 denotam que as baterias 3 são conectadas ao aparelho carregador 4 apenas durante as fases de carga e são desconectadas durante as fases de descarga quando as baterias estão sendo usadas, por exemplo, para empilhadeiras. Cada bateria 3 é fornecida com uma unidade de monitoramento e gravação 5a, 5b que inclui um sensor 5a para monitorar o fluxo de corrente ao longo do tempo dentro e fora da bateria e uma memória 5b para gravar e armazenar a informação relacionada a este fluxo de corrente, por exemplo, a quantidade de carga total fornecida ou descarregada da bateria em seu tempo de vida, ou o número de vezes que a bateria foi carregada. A memória 5b também armazena um código que identifica cada bateria individual 3.

[0067] O carregador 4 inclui um controlador 6 que é disposto para obter de cada uma das baterias 3 a informação armazenada nas memórias 5b que se refere ao histórico de carga e/ou descarga de cada bateria 3. Por exemplo, o controlador 6 pode ser disposto para obter a informação relacionada à carga total fornecida à bateria 3 e/ou de cada bateria 3 e em seu tempo de vida ou o número de vezes que ela foi descarregada e/ou carregada. O controlador 6 também obtém das memórias 5b o código que identifica cada bateria. O controlador 6, que pode, por exemplo, ser um microprocessador disposto para operar de acordo com um algoritmo, está disposto para selecionar uma tensão a ser aplicada a cada bateria 3 dependendo desta informação, desse modo, carregando a bateria 3.

[0068] A informação pode ser comunicada a partir das baterias 3 para o controlador 6 do aparelho carregador 4 ou via uma conexão de cabo ou, mais preferivelmente, por um comunicador sem fio. Cada bateria 3 também pode incluir um sensor de temperatura e o controlador pode ser disposto para também levar esta temperatura em consideraPetição 870190094144, de 20/09/2019, pág. 24/33

20/20 ção quando selecionar a tensão a ser aplicada à bateria 3.

[0069] Muito embora a precedente seja direcionada às modalidades da presente invenção, outras modalidades e modalidades adicionais podem ser projetadas sem se separar do escopo básico dela e o escopo dela é determinado pelas reivindicações que seguem.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de operar uma bateria de chumbo-ácido (3) no qual a bateria é submetida a fases de descarga (1) durante as quais a bateria (3) é descarregada e a fases de carga (2) durante as quais a bateria (3) é carregada e que envolve:

a) monitorar e gravar a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3);

b) durante uma fase de carga (2), conectar a bateria (3) a um aparelho carregador (4) e aplicar uma tensão à bateria (3) em que a tensão é ajustada dependendo da informação gravada relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3);

caracterizado pelo fato de que a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) é a carga total descarregada da bateria no tempo de vida da bateria (3) ou a carga total fornecida à bateria (3) durante o carregamento no tempo de vida da bateria (3).
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão é ajustada dependendo da informação gravada relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3), de modo que a tensão aplicada à bateria (3) durante as fases de carga (2) progressivamente reduza o tempo de vida da bateria (3).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a informação que refere-se à pelo menos um parâmetro relacionado ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) e a tensão aplicada à bateria (3) é ajustada de modo que se reduza gradativamente em valores predeterminados do parâmetro.
4. Método de carregar uma bateria de chumbo-ácido (3) que compreende as etapas de:

a) conectar a bateria a um aparelho carregador (4);

b) obter a informação relacionada ao histórico de descarga

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2/4 e/ou carga da bateria (3);

c) aplicar à bateria (3) uma tensão em que a tensão é ajustada dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3);

caracterizado pelo fato de que a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) é a carga total descarregada da bateria (3) no tempo de vida da bateria (3) ou a carga total fornecida à bateria (3) durante o carregamento no tempo de vida da bateria (3).
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) é a carga total fornecida à bateria (3) durante o carregamento no tempo de vida da bateria.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que também envolve medir a temperatura da bateria (3) durante a carga da bateria e ajustar a tensão aplicada à bateria (3) dependendo desta temperatura.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a bateria (3) é uma bateria de chumbo puro com placa fina (TPPL).
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a tensão aplicada à bateria (3) é determinada automaticamente por um microprocessador (6) que opera um algoritmo que seleciona a tensão a ser aplicada à bateria dependendo pelo menos de:

i) a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3); e ii) a temperatura da bateria (3).
9. Aparelho carregador (4) para carregar uma bateria de chumbo-ácido (3) que compreende:

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3/4

a) meios de comunicação dispostos para obter informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3); e

b) meios de controle (6) dispostos para controlar uma tensão aplicada à bateria (3) durante o carregamento da bateria dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria;

caracterizado pelo fato de que a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) é a carga total descarregada da bateria (3) no tempo de vida da bateria (3) ou a carga total fornecida à bateria (3) durante o carregamento no tempo de vida da bateria (3).
10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o meio de comunicação é disposto para se comunicar com a bateria (3) e, desse modo, obter a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3).
11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o meio de comunicação é um aparelho de comunicação sem fio disposto para se comunicar de maneira sem fio com uma unidade de monitoramento e de gravação na bateria (3) que monitora e grava a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3).
12. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que o meio de controle (6) inclui um microprocessador e um depósito de memória que armazena instruções para o microprocessador para selecionar a tensão a ser aplicada à bateria durante o carregamento dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria.
13. Aparelho, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que é uma estação de carga para carregar as baterias de chumbo-ácido (3) em aplicações de força

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4/4 motriz.
14. Aparelho de suprimento e armazenamento de energia que compreende:

uma ou mais baterias de chumbo-ácido (3);

meios (5a, 5b) para monitorar e gravar a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3); e um aparelho carregador (4) para carregar a bateria ou baterias (3) que compreende meios de controle (6) dispostos para controlar uma tensão aplicada à bateria ou cada bateria (3) durante o carregamento de da ou de cada bateria dependendo da informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria ou de cada bateria;

caracterizado pelo fato de que a informação relacionada ao histórico de descarga e/ou carga da bateria (3) é a carga total descarregada da bateria no tempo de vida da bateria (3) ou a carga total fornecida à bateria durante o carregamento no tempo de vida da bateria (3).