BR112014012870B1

BR112014012870B1 - método e sistema para carregamento de bateria de um veículo

Info

Publication number: BR112014012870B1
Application number: BR112014012870-7A
Authority: BR
Inventors: Martin Lundgren; Gunnar Ledfelt
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2021-01-19
Also published as: SE537392C2; CN103988388A; EP2792047B1; WO2013089612A1; SE1151194A1; EP2792047A4; EP2792047A1; BR112014012870A2

Abstract

MÉTODO E SISTEMA PARA CARREGAMENTO DE BATERIA DE UM VEÍCULO A invenção refere-se a um método para controle do processo de carregamento das baterias de um veículo por meio de um sistema de carregamento, baterias essas que compreendem um conjunto de bateria de partida (11) com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria, e um conjunto de bateria de serviço (12) com segundos parâmetros que caracterizam esse segundo conjunto de bateria. O método compreende o fornecimento dos primeiro e segundo parâmetros dos conjuntos de bateria, e o controle do processo de carregamento com base nesses parâmetros.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um método e a um sistema para carregar bateria de um veículo de acordo com os preâmbulos das reivindicações independentes.

Fundamentos da Invenção

[002] Um veículo a motor energizado por um motor de combustão é normalmente fornecido com um motor de partida elétrica para dar partida ao motor. Esse motor é normalmente energizado por uma bateria de partida carregável que pode, vantajosamente, ser uma bateria SLI (partida, iluminação, ignição) que energia o motor de partida, os faróis e o sistema de ignição do veículo. O motorista regula o funcionamento do motor de partida pela ativação da trava de ignição de veículo, por exemplo, pela rotação da chave de ignição.

[003] Nos veículos atuais existem muitas aplicações que são supridas com energia através do gerador de veículo e bateria. Quando o motor do veículo é desligado e o gerador, portanto, não pode distribuir energia, essas aplicações são energizadas a partir da bateria SLI. Se o motor for desligado e a energia nessa bateria de partida for utilizada para diferentes aplicações, existe o risco de muita da energia na bateria poder ser consumida e a energia restante não ser suficiente para dar partida no motor.

[004] Uma técnica convencional para se solucionar o problema de energia insuficiente na bateria SLI para dar partida no motor do veículo é a utilização de dois conjuntos de bateria, chamadas de baterias duplas, que é uma solução normal, por exemplo, em veículos aquáticos, mas não é adequada para uso em veículos pesados, por exemplo, caminhões. Tal sistema de bateria dupla compreende um conjunto de bateria basicamente utilizado para suprir corrente para o motor de partida e para os sistemas que são necessários para se dar partida ao motor, isso é, um conjunto de bateria de partida, e um conjunto de bateria de serviço utilizado para energizar diferentes aplicações, por exemplo, iluminação e aquecimento/resfriamento de cabine, que podem precisar ser utilizadas quando o motor está desligado. O conjunto de bateria de serviço é, portanto, utilizado com vantagem quando alguém está no veículo, mesmo quando o motor está desligado.

[005] A figura 1 apresenta um exemplo de tal sistema de bateria dupla 10 compreendendo um conjunto de bateria de partida 11 e um conjunto de bateria de serviço 12 que são conectados em paralelo a um sistema elétrico 13 que compreende um motor de partida SM, um gerador G e uma unidade SEM (sistema de gerenciamento de motor) que controla o motor de partida. O sistema elétrico também compreende outro equipamento elétrico utilizado quando o motor não está ligado, por exemplo, iluminação, aquecimento da cabine. O conjunto de bateria de serviço 12 e o conjunto de bateria de partida 11 também são mutuamente conectados em paralelo, e um disjuntor entre eles 22 é utilizado para possibilitar a conexão das baterias de partida quando da partida do motor do veículo.

[006] Baterias carregáveis possuem características diferentes dependendo de seu tipo, isso é, a composição química do material do qual são feitas, o estado de agregação de seu material, etc. Existem, por exemplo, baterias que contêm chumbo, níquel-cádmio (Ni-Cd), íon de lítio (íon de Li), etc. Sua tensão nominal varia dependendo de seu tipo. Os tipos de bateria para os vários conjuntos de bateria são escolhidos com base nas características desejáveis. As baterias podem distribuir uma alta energia por um período de tempo relativamente curto, isso é, enquanto o motor de partida precisar. Em contraste, o conjunto de bateria de serviço exige boas características cíclicas, isso é, a capacidade de ser carregada mais profundamente do que o conjunto de bateria de partida, por exemplo, para suportar um pernoite no veículo.

[007] Nesses sistemas de bateria dupla, por exemplo, como na figura 1, o processo de carregamento precisa ser otimizado. Uma forma de se alcançar isso é prosseguir com base em um sistema de bateria única, o que significa a otimização do processo apenas pelo atendimento a um conjunto de bateria. Tal otimização pode, por exemplo, levar em consideração a temperatura na qual as baterias de partida devem estar.

[008] Para um carregamento ideal de uma bateria em um veículo, uma tensão pretendida precisa ser aplicada por um tempo determinado. Se a bateria estiver carregada de forma insuficiente, isso é, se uma tensão inferior for utilizada e/ou o carregamento ocorrer por um tempo mais curto, a bateria será recorrentemente sulfatada. Em contraste, se a bateria for regularmente sobrecarregada, isso é, se uma tensão maior do que a pretendida for utilizada e/ou o carregamento ocorrer por um tempo maior do que o pretendido, isso pode resultar em corrosão de suas placas de chumbo e um consumo aumentado de água. Dessa forma, ambos o carregamento excessivo e o carregamento insuficiente encurtarão a vida útil da bateria.

[009] Dois conceitos centrais que determinam a situação das baterias, isso é, "estado de carga" (SOC) e "estado de saúde"(SOH), são apresentados esquematicamente como duas curvas diferentes na figura 2. O estado de carga significa quão grande uma proporção da energia eletroquímica da bateria está disponível com relação ao que possuía quando totalmente carregada. Uma nova bateria tem maior capacidade quando totalmente carregada do que uma bateria que foi utilizada por um tempo determinado. O estado de saúde significa a condição da bateria com relação a quando estava nova e, portanto, serve como uma medição de quão gasta a bateria está.

[010] SOH é afetado entre outras coisas pelo número de ciclos de carga que a bateria sofreu, como foi carregada e em que condições ambientais foi utilizada. As baterias não carregadas de uma forma ideal desgastarão mais rapidamente. Isso afeta a curva SOH fornecendo uma inclinação mais íngreme.

[011] O sistema de bateria dupla mencionado acima que otimiza o processo de carregamento pelo fornecimento de apenas um conjunto de bateria é um sistema de carregamento conhecido. Existem também outros tipos de sistema de carregamento envolvendo uma pluralidade de baterias. Algumas das quais são citadas abaixo.

[012] O documento WO 2008/127520 se refere a um sistema de carregamento para uma pluralidade de baterias que envolve a configuração de grupos de bateria. Cada grupo de bateria exige um regulador para aplicação de tensão à mesma.

[013] O documento WO 2005/0093508 se refere a um sistema de suprimento de energia automático em um veículo com dois grupos de bateria que são conectados e desconectados por meio de um chamado disjuntor duplo, o que significa que os dois grupos não podem ser carregados ao mesmo tempo.

[014] O documento GB 2438656 se refere a uma unidade de controle para um veículo, por exemplo, um trailer, barco ou similar, que controla a conexão de uma ou mais baterias que devem ser carregadas, de modo que o gerador não seja sobrecarregado. Essa unidade de controle não pode variar a tensão.

[015] O documento WO 2009/103091 se refere à descarga de baterias. Um sistema de bateria é dividido em dois subsistemas, um dos quais pode ser desconectado se ficar descarregado, enquanto o outro pode continuar a ser utilizado.

[016] O documento WO 2005/060066 se refere ao equilíbrio de célula em uma pluralidade de baterias conectadas em série.

[017] Nenhuma das técnicas nas especificações citadas acima é adequada para uso em carregamento otimizado de ambos um conjunto de bateria de partida e um conjunto de bateria de serviço que são cobertos por um sistema de carregamento conjunto.

[018] Visto que o carregamento de conjuntos de bateria envolve, por exemplo, o fornecimento da temperatura do conjunto de bateria de partida e seu processo de carregamento, mas não para dois conjuntos de bateria, o objetivo da presente invenção é propor um método aperfeiçoado e simplificado para o processo de carregamento que fornece ambos os conjuntos de bateria do veículo. É desejável se poder fornecer o estado de carga (SOC) de ambos os conjuntos de bateria. Poder utilizar o máximo possível da capacidade das baterias resulta em vantagens em curto prazo visto que as mesmas se recuperarão bem após a descarga. É desejável também se poder fornecer o estado de saúde (SOH) de ambos os conjuntos de bateria. É desejável se alcançar uma curva SOH mais plana possível, resultando em vantagens em longo prazo.

Sumário da Invenção

[019] Os objetivos acima são alcançados com a invenção definida pelas reivindicações independentes.

[020] As modalidades preferidas são definidas pelas reivindicações dependentes.

[021] Um primeiro aspecto da invenção se refere a um método de controle do processo de carregamento de uma bateria de veículo por meio de um sistema de carregamento, baterias essas que compreendem um conjunto de bateria de partida com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria e um conjunto de bateria de serviço com segundos parâmetros que caracterizam esse segundo conjunto de bateria. O método compreende adicionalmente o fornecimento de primeiro e segundo parâmetros de conjuntos de bateria e controle do processo de carregamento com base nesses parâmetros.

[022] O objetivo da presente invenção é, portanto, se otimizar o processo de carregamento para os conjuntos de bateria, incluindo o fornecimento do conjunto de bateria de serviço. É desejável também se fornecer a possibilidade de dois conjuntos de bateria serem carregados/descarregados a pontos diferentes.

[023] Um segundo aspecto da invenção refere-se a um sistema de carregamento para controlar o processo de carregamento das baterias de um veículo que compreendem um conjunto de bateria de partida com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria e um conjunto de bateria de serviço com segundos parâmetros que caracterizam esse segundo conjunto de bateria. O sistema de carregamento compreende uma unidade de controle fornecida com um monitor de bateria para regular a tensão aplicada com relação aos primeiro e segundo parâmetros, e um disjuntor para conectar qualquer um ou ambos os conjuntos de bateria.

Breve Descrição dos Desenhos

[024] A figura 1 é um diagrama de circuito compreendendo dois conjuntos de bateria, um chamado sistema de bateria duplo;

[025] A figura 2 apresenta de forma esquemática curvas SOC e SOH para uma bateria;

[026] A figura 3 é um diagrama de circuito de uma modalidade preferida de um sistema de carregamento; e

[027] A figura 4 ilustra o método de acordo com uma modalidade preferida da invenção.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas da Invenção

[028] A figura 3 é um diagrama de circuito de uma modalidade preferida de um sistema de carregamento fornecido com uma unidade de controle 20 que compreende um monitor de bateria 21 e um disjuntor 22. Apresenta adicionalmente um sistema elétrico 13 que compreende um motor de partida SM, um gerador G e uma unidade EMS (sistema de gerenciamento de motor) e que controla o motor de partida, como também descrito acima com relação à figura 1. A finalidade do sistema de carregamento é controlar o processo de carregamento das baterias do veículo que compreende um conjunto de bateria de partia 11 com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria e um conjunto de bateria de serviço 12 com segundos parâmetros que caracterizam o segundo conjunto de bateria, O monitor de bateria 21 deve determinar os primeiro e segundo parâmetros, e a unidade de controle 20 deve regular a tensão de carregamento com relação aos primeiro e segundo parâmetros. O disjuntor 22 regula de tal forma que um ou ambos os conjuntos de bateria podem ser conectados, e a unidade de controle 20 também deve demandar a tensão de gerador a partir do gerador (G) e regular a tensão de carregamento com relação aos primeiro e segundo parâmetros, mas isso também é pretendido para controlar o disjuntor 22.

[029] Em outra modalidade, o monitor de bateria 21 pode ser situado fora da unidade de controle 20, por exemplo, adjacente ao conjunto de bateria de partida 11 e o conjunto de bateria de serviço 12. Da mesma forma, o disjuntor 22 pode, em outra modalidade, ser situado fora da unidade de controle 20.

[030] O controle do processo de carregamento envolve a regulagem da magnitude da tensão aplicada e a quantidade de tempo pela qual é aplicada. Os primeiros parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de partida, SOC, SOH e temperatura, e os segundos parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de serviço, SOC, SOH e temperatura. O estado de saúde de uma bateria significa sua capacidade de ser descarregada e recarregada, em comparação com sua capacidade original. Seu estado de saúde está prejudicado por placas de chumbo corroídas ou sulfatadas, pelo material ativo nas mesmas se tornando destacado, pelo nível de eletrólito caindo muito abaixo e/ou por danos causados por vibração.

[031] visto que o conjunto de bateria de partida deve poder distribuir uma energia alta para rodar o motor de partida, ao passo que o conjunto de bateria de serviço precisa de boas características cíclicas (como mencionado na introdução), é portanto adequado se utilizar diferentes tipos de bateria, isso é, em termos de sua composição química, a forma (fixa ou flutuante) de suas partes constituintes, etc. Onde as baterias são de tipos diferentes, as mesmas também fornecerão exigências de tensão de carregamento diferentes, de modo que é desejável se fornecer uma tensão de carregamento que um tipo de bateria em particular precisa, SOC e SOH possuem desenvolvimentos diferentes entre o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço. Suas temperaturas podem variar diferentemente também.

[032] O disjuntor 22 pode estar em um estado aberto, como na figura 3, no qual o conjunto de bateria de partida 11 é desconectado. Pode, alternativamente, estar em um estado fechado, no qual todo o circuito é fechado e o conjunto de bateria de partida também está conectado.

[033] O sistema de bateria do veículo pode, por exemplo, ser configurado de modo que o conjunto de bateria de partida compreenda uma única bateria de partida conectada em paralelo ao conjunto de bateria de serviço que, da mesma forma, compreende uma única bateria de serviço. A figura 3 ilustra uma bateria de partida 11 conectada em paralelo a uma bateria de serviço 12. Em uma modalidade alternativa, cada um dos conjuntos de bateria de veículo pode compreender duas ou mais baterias conectadas em série. O conjunto de bateria de partida pode, por exemplo, compreender duas baterias de partida conectadas em série que são conectadas em paralelo com o conjunto de bateria de serviço que compreende dois conjuntos de bateria de serviço em série.

[034] A unidade de controle 20 do sistema de carregamento, portanto, coloca o disjuntor em um estado aberto ou fechado. A unidade de controle deve utilizar o disjuntor para colocar o sistema de carregamento em diferentes situações de carga. Em uma primeira situação de carregamento ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado no qual o carregamento do conjunto de bateria de partida deve ter prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de serviço, de modo que o processo de carregamento deve atender primeiramente os primeiros parâmetros para o conjunto de bateria de partida.

[035] Em uma segunda situação de carregamento, a colocação do disjuntor 22 em um estado fechado conecta ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço, e o carregamento do conjunto de bateria de serviço deve ter prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de partida, de modo que o processo de carregamento nessa segunda situação deva atender primeiramente os segundos parâmetros para o conjunto de bateria de serviço.

[036] Em uma terceira situação de carregamento, a colocação do disjuntor 22 em um estado aberto não conecta o conjunto de bateria de partida, mas apenas o conjunto de bateria de serviço, de modo que o processo de carregamento nessa terceira situação atenda apenas os segundos parâmetros.

[037] Em uma quarta situação de carregamento, a colocação do disjuntor 22 em um estado fechado conecta ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço, e o carregamento de ambos os conjuntos de bateria deve ser de igual prioridade.

[038] O conjunto de bateria de partida 11 é, dessa forma, conectado ou desconectado por meio do disjuntor 22 quando uma determinada tensão é aplicada de modo a possibilitar o controle da quantidade de tempo para que seja carregado. Se o conjunto de bateria de partida for considerado suficientemente carregado por um tempo determinado, o carregamento continuado pode ser deferido para uma próxima ocasião, de modo que o conjunto de bateria possa ser desconectado, o que corresponde à terceira situação de carregamento descrita acima.

[039] A invenção refere-se também a um método de controle do processo de carregamento de baterias de um veículo que compreendem um conjunto de bateria de partida 11 com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria, e um conjunto de bateria de serviço 12 com segundos parâmetros que caracterizam esse segundo conjunto de bateria. O método compreende o fornecimento de primeiro e segundo parâmetros dos conjuntos de bateria e o controle do processo de carregamento com base nesses parâmetros. O método é ilustrado na figura 4 onde uma etapa A1 fornece os primeiros parâmetros do conjunto de bateria de partida e uma etapa A2 para os segundos parâmetros do conjunto de bateria de serviço. Essas duas etapas podem ser simultâneas ou consecutivas, o essencial é que ocorram antes da etapa (B) do controle do processo de carregamento.

[040] As quatro situações de carregamento principais para o método de controle do processo de carregamento do conjunto de bateria de partida e conjunto de bateria de serviço descritos acima são repetidas aqui com relação à descrição do método de acordo com a invenção.

[041] Em uma primeira situação de carregamento, ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados e o carregamento do conjunto de bateria de partida é de prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de serviço, de modo que o processo de carregamento atenda primeiramente os primeiros parâmetros.

[042] Em uma segunda situação de carregamento, ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados e o carregamento do conjunto de bateria de serviço tem maior prioridade do que o carregamento do conjunto de bateria de partida, de modo que o processo de carregamento atenda primeiramente os segundos parâmetros.

[043] Em uma terceira situação de carregamento, o conjunto de bateria de partida não é conectado, mas apenas o conjunto de bateria de serviço, de modo que o processo de carregamento atenda apenas os segundos parâmetros.

[044] Em uma quarta situação de carregamento, ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados e o carregamento de ambos os conjuntos tem igual prioridade, de modo que o processo de carregamento atenda tanto o primeiro quanto o segundo parâmetros.

[045] A presente invenção não está limitada às modalidades preferidas descritas acima. Alternativas, modificações e equivalências podem ser utilizadas. As modalidades mencionadas acima não são, portanto, consideradas limitadoras do escopo de proteção da invenção, que é definido pelas reivindicações em anexo.

Claims

1. Método para controle do processo de carregamento de baterias de um veículo por meio de um sistema de carregamento, no qual as baterias compreendem um conjunto de bateria de partida (11) com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria e um conjunto de bateria de serviço (12) com segundos parâmetros que caracterizam esse segundo conjunto de bateria, CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende fornecer (A1, A2) para os primeiro e segundo parâmetros dos conjuntos de bateria, em que os primeiros parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de partida, o estado de carga, o estado de saúde e temperatura, e os segundos parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de serviço, estado de carga, estado de saúde e temperatura e onde o dito conjunto de bateria de serviço (12) está sempre conectado a um sistema elétrico (13) incluindo um gerador (G); e controlar (B) o processo de carregamento com base nesses parâmetros nos quais o método de controle do processo de carregamento compreende a regulagem da magnitude da tensão de carregamento aplicada a partir do sistema elétrico (13) até os conjuntos de bateria (11, 12) e a quantidade de tempo para qual está é aplicada, a fim de colocar o sistema de carregamento em diferentes situações de carregamento, uma primeira situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados ao sistema elétrico por um disjuntor (22) sendo colocado em um estado fechado e o carregamento do conjunto de bateria de partida tem prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de serviço; uma segunda situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados ao sistema elétrico pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado e o carregamento do conjunto de bateria de serviço tem prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de partida; uma terceira situação de carregamento na qual o disjuntor é colocado em um estado aberto de modo que o conjunto de bateria de partida seja desconectado do sistema elétrico e o conjunto de bateria de serviço é conectado ao sistema elétrico; e uma quarta situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço estão conectados ao sistema elétrico pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado e o carregamento de ambos os conjuntos tem a mesma prioridade.

2. Sistema de carregamento para controlar o processo de carregamento das baterias de um veículo, que compreende um conjunto de bateria de partida (11) com primeiros parâmetros que caracterizam esse primeiro conjunto de bateria, e um conjunto de bateria de serviço (12) com os segundos parâmetros que caracterizam o segundo conjunto de bateria, no qual o sistema compreende uma unidade de controle (20), CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de controle compreende um monitor de bateria (21) configurado para determinar os primeiro e segundo parâmetros nos quais os primeiros parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de partida, o estado da carga, o estado de saúde e temperatura, e os segundos parâmetros compreendem o tipo de bateria do conjunto de bateria de serviço, estado de carga, estado de saúde e temperatura, e onde o dito conjunto de bateria de serviço (12) está sempre conectado a um sistema elétrico (13) incluindo um gerador (G), e um disjuntor (22) configurado para conectar ou desconectar o dito conjunto de bateria de partida (11) para ou a partir do sistema elétrico e onde a unidade de controle (20) é adicionalmente configurado para regular a magnitude da tensão de carregamento aplicada a partir do sistema elétrico (13) até os conjuntos de bateria (11, 12) e a quantidade de tempo para qual está é aplicada, a fim de colocar o sistema de carregamento em diferentes situações de carregamento uma primeira situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados ao sistema elétrico pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado, em que o carregamento do conjunto de bateria de partida tem prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de serviço; uma segunda situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados ao sistema elétrico pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado, em que o carregamento do conjunto de bateria de serviço tem prioridade mais alta do que o carregamento do conjunto de bateria de partida; uma terceira situação de carregamento na qual o disjuntor é colocado em um estado aberto de modo que o conjunto de bateria de partida é desconectado do sistema elétrico e o conjunto de bateria de serviço está conectado ao sistema elétrico; e uma quarta situação de carregamento na qual ambos o conjunto de bateria de partida e o conjunto de bateria de serviço são conectados ao sistema elétrico pelo disjuntor sendo colocado em um estado fechado, em que o carregamento dos dois conjuntos de bateria tem a mesma prioridade.

3. Sistema de carregamento, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de bateria de partida (11) compreende pelo menos uma bateria de partida conectada em paralelo ao conjunto de bateria de serviço (12) que compreende pelo menos uma bateria de serviço.

4. Sistema de carregamento, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o conjunto de bateria de partida (11) compreende duas baterias de partida mutuamente conectadas em série, que são conectadas em paralelo com o conjunto de bateria de serviço (12) que compreende duas baterias de serviço conectadas em série.