BR112016003157B1

BR112016003157B1 - Método e disposição para balanceamento de um sistema de armazenamento de energia

Info

Publication number: BR112016003157B1
Application number: BR112016003157-1A
Authority: BR
Inventors: Tobias SMIDEBRANT; Jerker Lennevi; Niklas Legnedahl
Original assignee: Volvo Truck Corporation
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2021-07-13
Also published as: BR112016003157A2; US20160193939A1; EP3033245A1; EP4194251A1; WO2015021998A1; US9937815B2; CN105452050B; CN105452050A; JP6250164B2; JP2016530863A

Abstract

método e disposição para balanceamento de um sistema de armazenamento de energia o presente relatório descritivo se refere a um método para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia (7), compreendendo uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo (1) incorporando um motor elétrico (3) disposto para propulsão de referido veículo (1), com o referido método compreendendo da: monitoração (24) quanto a uma necessidade para o balanceamento das referidas células; inicialização (25) de uma solicitação para o referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; descarregamento ou carregamento (27) de referido sistema de armazenamento de energia (7) até que o estado da carga de referido sistema de armazenamento de energia (7) tenha atingido um nível pré-determinado; e o balanceamento (29) da voltagem de referidas células de bateria. o método compreende ainda da viabilização (26) de entrada de instruções representando um tempo agendado para o referido balanceamento (29) mediante a inicialização de referida solicitação por balanceamento; e a inicialização do referido descarregamento (27) de forma que o sistema de armazenamento de energia (7) atinga o referido nível pré-determinado do estado da carga de acordo com as referidas entradas de instruções. o relatório descritivo se refere ainda a uma disposição para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia (7).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção se refere a um método para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia, compreendendo uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo compreendendo de um motor elétrico disposto para a propulsão de referido veículo, o referido método compreendendo: monitoração quanto a necessidade pelo balanceamento das referidas células; inicialização de uma requisição por referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; descarga do referido sistema de armazenamento de energia até que o estado de carga do referido sistema de armazenamento de energia tenha atingido um nível pré-determinado; e balanceamento da voltagem de referidas células de bateria.

[0002] A invenção se refere também a uma disposição para balanceamento de um sistema de armazenamento de energia, compreendendo de uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo compreendendo de um motor elétrico disposto para propulsão de referido veículo, referida disposição compreendendo de uma unidade de gerenciamento de bateria configurada para a monitoração quanto a necessidade por balanceamento de referidas células; para inicialização de uma requisição para referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; para descarga do referido sistema de armazenamento de energia até que o estado de carga de referido sistema de armazenamento de energia tenha atingido um nível pré- determinado, e para balanceamento da voltagem das referidas células de bateria.

FUNDAMENTOS

[0003] No campo de veículos, ocorre um permanente aumento na pesquisa e desenvolvimento relacionados a propulsão dos veículos apresentando fontes de energia alternativas, ou seja, fontes de energia sendo empregadas como alternativas para os motores convencionais de combustão interna. Um motor de combustão interna, por exemplo, na forma de um motor a gasolina ou motor a diesel, oferece uma elevada eficiência apresentando um consumo relativamente baixo. Entretanto, preocupações ambientais tem levado a um crescente desenvolvimento de fontes de energia para veículos ambientalmente mais amigáveis. Em particular, o desenvolvimento de veículos operados eletricamente tem surgido como uma alternativa promissora.

[0004] Atualmente, ocorrem diversos tipos de sistemas de propulsão de veículos incorporando motores elétricos. Por exemplo, um veículo pode funcionar por meio unicamente de um motor elétrico, ou por meio de uma disposição compreendendo tanto um motor elétrico quanto um motor de combustão interna. A última alternativa é referida frequentemente como um veículo híbrido (HEV), e pode ser utilizada, por exemplo, em uma maneira aonde um motor de combustão interna vem a ser utilizado para operar o veículo enquanto deslocando-se fora de perímetros urbanos enquanto que o motor elétrico pode ser utilizado em áreas urbanas ou em ambientes aonde não exista limite para a descarga de poluentes prejudiciais, tais como monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio.

[0005] A tecnologia envolvida em veículos operados eletricamente está intimamente relacionada ao desenvolvimento de sistema de armazenamento de energia elétrica, por exemplo, na forma de tecnologia relacionada a bateria para veículos. OS sistemas de armazenamento de energia elétrica atuais para veículos podem compreender de um conjunto de células de bateria recarregáveis aonde, em conjunto com os circuitos de controle, formam uma unidade que vem a ser disposta em um veículo configurada para fazer funcionar um motor elétrico. Um veículo híbrido é ainda disposto frequentemente de modo que o sistema de armazenamento de energia venha a ser carregado durante a frenagem, por meio de um processo conhecido como frenagem regenerativa.

[0006] Um veículo, sendo operado por meio de um motor de combustão interna e um motor elétrico suprido com energia advinda a partir de um sistema de armazenamento de energia elétrica recarregável, vem a ser referido, por vezes, como um veículo híbrido elétrico com conexão (PHEV). Um veículo elétrico híbrido com conexão faz uso de um sistema de armazenamento de energia contendo baterias recarregáveis ou outras fontes de energia adequadas que podem ser restauradas dentro de uma condição envolvendo uma carga plena através de uma conexão junto a uma fonte de alimentação de energia elétrica externa.

[0007] A fonte de alimentação externa pode se apresentar na forma de sistema de energia de grade elétrica padrão podendo ser acessado via uma liga de força convencional, ou podendo se apresentar na forma de outras disposições dependendo dos veículos envolvidos e da energia necessária para o processo de recarregamento. No caso de veículos na forma de ônibus ou veículos de transporte pesado, são normalmente necessários mais dispositivos de carregamento poderosos em comparação com os carros de menor porte e veículos similares.

[0008] Os sistemas de armazenamento de energia elétrica nos veículos elétricos híbridos e elétricos compreendem habitualmente guarnições de bateria de múltiplas células eletroquímicas conectadas em série, tipicamente, centenas de células de lítio. Durante o funcionamento do veículo, a guarnição de bateria é descarregada gradualmente enquanto que suprindo com energia ao motor elétrico do veículo. Entretanto, nem duas células são idênticas - existindo sempre ligeiras diferenças, por exemplo, quanto a capacidade, estado de carga e taxa de auto-descarga das células. A capacidade e tempo de vida da célula mais fraca limita a capacidade e o tempo de vida da guarnição de bateria como um todo. De modo a se ter condições de se obter mais energia e um tempo de vida maior a partir da guarnição de bateria, a voltagem é redistribuída periodicamente entre as células de modo a levá-las a um estado em comum conjunto de carga. Isto é comumente referido como um balanceamento da célula. Um método conhecido para o balanceamento da célula compreende a descarga das células individuais da guarnição de bateria em relação aos resistores de balanceamento no interior da bateria.

[0009] Um sistema de armazenamento de energia do tipo mencionado acima é associado com uma unidade de gerenciamento de bateria configurada para a monitoração das células de bateria e para a monitoração de qualquer necessidade por balanceamento das células de bateria. Uma condição para a inicialização de um procedimento de balanceamento de célula é adequada quando existe uma diferença na denominada voltagem de célula arbitrária entre quaisquer duas células de bateria excedendo um valor pré- determinado, por exemplo, 10 mV. Tal condição pode ser interpretada como adequada para a unidade de gerenciamento de bateria para dar início ao balanceamento das células.

[0010] Já se tem conhecimento de que o balanceamento da célula é realizado, preferencialmente durante um estado de nível de carga em que a derivada da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia com respeito ao estado do sistema de armazenamento de energia da carga dOCV/dSOC é relativamente elevada. Isto implica em que a detecção da voltagem da célula arbitrária das células de bateria - que é utilizada para a determinação quanto a necessidade do balanceamento da célula - pode ser executada com um elevado grau de precisão.

[0011] Isto implica ainda que o início atual de um procedimento de balanceamento de célula pode ter de ser adiado até a uma altura no tempo aonde o estado da carga seja de tal magnitude em que a referida derivada se apresente suficientemente elevada. Isto pode resultar em um tempo de espera muito longo para proporcionar-se este balanceamento da célula, uma vez que o sistema de armazenamento de energia pode ter de ser parcialmente descarregado antes de se poder conduzir o balanceamento da célula. Em resumo, o balanceamento da célula de acordo com o estado anterior da técnica consiste em um processo que leva muito tempo para ser processado.

[0012] Tem-se ainda que o balanceamento da célula não é executado, normalmente, antes da guarnição de bateria ter passado pelo denominado tempo de relaxamento, ou seja, um certo tempo para descanso. Isto contribui também para um período de tempo prolongado até que o balanceamento da célula possa ser concluído.

[0013] De modo a se limitar o aumento da temperatura na guarnição de bateria, a força de descarga tem de ser baixa o que por sua vez contribui também para um tempo de balanceamento geral prolongado para a célula de bateria.

[0014] O documento de patente JP 2010-081731 descreve um sistema de balanceamento de célula aonde o sistema de navegação e informação em torno da rota percorrida pode ser utilizado para o controle do procedimento de balanceamento da célula.

[0015] Muito embora o sistema de acordo com o referido documento JP2010-081731 possa contribuir para uma solução aonde o tempo para o balanceamento da célula pode ser reduzido, existe ainda uma necessidade por um método de balanceamento de bateria aperfeiçoado para a remoção da desvantagem mencionada acima relacionada a um tempo de balanceamento da célula prolongado.

SUMÁRIO DA DESCRIÇÃO

[0016] Um objetivo do presente relatório descritivo consiste na provisão de um método para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia, em particular, para um veículo elétrico híbrido, aonde o problema mencionado acima vem a ser pelo menos parcialmente eliminado. Este objetivo é alcançado pelos aspectos contidos em quaisquer das reivindicações independentes apensas.

[0017] O relatório descritivo diz respeito a um método para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia, compreendendo uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo incorporando um motor elétrico disposto para a propulsão do referido veículo. O método compreende da monitoração quanto a uma necessidade por balanceamento das referidas células; inicialização de uma solicitação para o referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; descarregamento ou carregamento do referido sistema de armazenamento de energia até que o estado da carga do referido sistema de armazenamento de energia tenha atingido um nível pré- determinado; e balanceamento da voltagem das referidas células de bateria. Além do mais, o método compreende de viabilizar instruções de entrada representativas de um agendamento do tempo para o referido balanceamento mediante a inicialização da referida requisição pelo balanceamento; e inicialização do referido descarregamento de modo que o sistema de armazenamento de energia atinga o referido nível pré-determinado do estado da carga de acordo com as referidas instruções de entrada.

[0018] Uma vantagem deste relatório descritivo se dá através do fato de poder ser executada diante de um tempo consideravelmente menor em relação ao estado anterior da técnica, se por exemplo as referidas instruções de entrada são disponibilizadas pelo motorista do referido veículo de modo a agendar o balanceamento junto a um ponto no tempo adequado, por exemplo, em conexão com uma parada noturna do veículo ou mesmo durante uma breve parada para um lanche. Em tal situação, o balanceamento pode ser conduzido a uma altura aonde o sistema de armazenamento de energia houver chegado a um estado adequado de carga para viabilização de um procedimento otimizado de balanceamento de célula.

[0019] Vantagens adicionais são alcançadas através da implementação de um ou de diversos aspectos das reivindicações dependentes.

[0020] De acordo com uma modalidade, o método consiste da inicialização da requisição pelo balanceamento com base nos valores representativos do estado da carga e/ou da voltagem da célula arbitrária das referidas células de bateria. De modo adequado, o método compreende da inicialização da referida requisição pelo balanceamento no evento da diferença da voltagem da célula arbitrária entre quaisquer duas células de bateria exceda um valor limítrofe pré-determinado. Isto implica em que o balanceamento da célula é conduzido quando do atendimento adequado de certas condições.

[0021] Além do mais, de acordo com uma modalidade, as instruções de entrada que são viabilizadas conforme mencionado acima podem se dar na forma de entrada manuais advindas do motorista do referido veículo. Esta entrada manual pode corresponder, por exemplo, da informação relacionada a um ponto no tempo aonde o motorista deseje dar início ao balanceamento da célula. Isto pode consistir de um ponto no tempo que corresponda a um intervalo para o lanche ou uma parada similar. De acordo com uma modalidade adicional que pode ser combinada também com a modalidade mencionada acima, as instruções de entrada podem se dar na forma de dados transmitidos a partir de uma unidade de controle remoto. Tal unidade de controle remoto pode ser originada, por exemplo, por uma companhia proprietária do veículo em pauta (por exemplo, na forma de um ônibus) a qual pode determinar, posteriormente, um adequado ponto no tempo para a inicialização do balanceamento da célula. Tal ponto no tempo pode estar relacionado a um esquema operacional do veículo de modo que o balanceamento da célula possa ocorrer durante uma parada do veículo.

[0022] De acordo com uma modalidade, o método pode compreender ainda de uma etapa de transmissão de dados relacionados a necessidade por balanceamento das referidas células de bateria advindas do referido veículo para a referida unidade de controle remoto.

[0023] Além do mais, o método compreende, preferencialmente, do descarregamento ou carregamento do referido sistema de armazenamento de energia quando o estado da carga do referido sistema de armazenamento de energia se encontra dentro de um intervalo quando a derivada da presente voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia com respeito ao estado da carga do sistema de armazenamento de energia presente dOCV/dSOC é duas vezes mais elevada do que a derivada mínima da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia com respeito ao estado da carga do sistema de armazenamento de energia.

[0024] Além do mais, o método pode incorporar o relaxamento (ou seja, um tempo de repouso) do referido sistema de armazenamento de energia antes do referido balanceamento.

[0025] O objetivo do presente relatório descritivo pode ser obtido também por meio de uma disposição para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia, com a referida disposição compreendendo de uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo incorporando um motor elétrico disposto para propulsão de referido veículo. A disposição consiste de uma unidade de gerenciamento de bateria configurada para: monitoração quanto a necessidade por balanceamento de referidas células; para a inicialização de uma requisição por referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; para o descarregamento ou carregamento do referido sistema de armazenamento de energia até que o estado da carga do referido sistema de armazenamento de energia tenha atingido um nível pré-determinado; e para o balanceamento da voltagem das referidas células de bateria. A disposição é posicionada, além de tudo, de modo que a unidade de gerenciamento de bateria venha a ser ainda configurada para viabilizar a entrada de instruções representativas de um tempo agendado para o referido balanceamento mediante a inicialização da referida requisição para balanceamento; e para a inicialização do referido descarregamento de modo que o sistema de armazenamento de energia atinga o referido nível pré-determinado do estado de carga de acordo com as referidas instruções de entrada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0026] Na descrição detalhada do relatório fornecido adiante faz-se como referência as figuras abaixo a seguir, aonde: a Fig.1 apresenta um perfil esquemático de um sistema básico de acordo com o relatório descritivo; a Fig.2 apresenta um gráfico da voltagem de saída de circuito aberto como uma função do estado da carga de uma típica célula eletroquímica; a Fig.3 consiste de um fluxograma indicando um método de operação do relatório descritivo.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[0027] Vários aspectos do relatório descritivo serão descritos a seguir em conjunto com os desenhos em anexo para ilustração não impondo limites ao relatório, Indicações similares indicam elementos similares, sendo aplicáveis junto à outras variações do relatório descritivo.

[0028] A Fig.1 apresenta um perfil esquemático de um sistema básico de acordo com o relatório descritivo. Na referida Fig.1 tem-se a apresentação de uma vista em perspectiva simplificada de certas partes de um veículo 1 de um tipo híbrido equipado com um motor de combustão interna 2 e um motor elétrico 3 que são conectado entre si e que são dispostos para transmissão a um eixo 4 do veículo 1, via uma embreagem 5 e uma transmissão 6. Desta maneira, tanto o motor de combustão interna 2 quanto o motor elétrico 3 podem ser utilizados para acionamento do veículo 1. Deve ser observado que o relatório descritivo refere-se virtualmente a qualquer tipo de veículo que seja operado por meio pelo menos de um motor elétrico, por exemplo, carros, ônibus e veículos de transporte pesados.

[0029] Podem ser empregados dentro de uma maneira assim conhecida, o motor de combustão interna 2 e o motor elétrico 3 para acionamento do eixo mecânico traseiro 4. De acordo com uma modalidade, o motor elétrico 3 é usado na forma de um motor de transmissão elétrico combinado com um gerador, sendo adequadamente empregado também como um motor de partida para o motor de combustão interna 2.

[0030] O veículo 1 porta um sistema de armazenamento de energia elétrica 7 consistindo de um conjunto de células de bateria e de outros circuitos de controle. O sistema de armazenamento de energia 7 consiste de uma quantidade de células de bateria que são conectadas em série para proporcionar com uma voltagem de saída DC contendo um nível de voltagem desejado. De modo adequado, as células de bateria são do tipo lítio-íon, porém outros tipos podem ser igualmente empregados. O sistema de armazenamento de energia 7 contém também uma unidade de gerenciamento de bateria 8 que pode ser disposta para carregamento e descarregamento do sistema de armazenamento de energia 7.

[0031] Conforme apresentado na Fig.1, o motor 2 é associado a uma unidade de controle eletrônico de motor 11 para o controle operacional do motor 2. De uma maneira similar, a transmissão 6 é associada com uma unidade de controle eletrônico de transmissão 12. Essas unidades de controle 11, 12 são conhecidas, genericamente e como tanto, por esta razão, elas não vem a ser descritas em detalhes no documento.

[0032] Além do mais, o veículo 1 é provido com pelo menos um consumidor elétrico 13 adicional. Tal consumidor elétrico pode se apresentar não forma, por exemplo, de uma ferramenta de trabalho operada manualmente, um radiador térmico elétrico ou dispositivos similares.

[0033] O veículo 1 porta também uma caixa de junção 14 aonde o sistema de armazenamento de energia 7, o motor elétrico 3 e pelo menos um consumidor elétrico 13 adicional são conectados.

[0034] Conforme será melhor descrito em maiores detalhes adiante, a unidade de gerenciamento de bateria 8 é ainda disposta para o balanceamento do sistema de armazenamento de energia 7.

[0035] Conforme mencionado, o sistema de armazenamento de energia consiste de uma pluralidade de células de bateria conectadas que são descarregadas gradualmente durante a operação do motor elétrico (e durante a operação de outros periféricos elétricos junto ao veículo 1, tal como o consumidor elétrico 13 adicional).

[0036] Devido a ligeiras diferenças na capacidade, o estado da carga e a taxa de auto-descarga das células, o estado da carga e a voltagem da célula arbitrária de cada célula de bateria irão variar gradualmente. Por esta razão, existe uma necessidade por um procedimento de balanceamento de célula. Também, conforme mencionado acima, o procedimento de balanceamento de célula deve de vir a ser conduzido, preferencialmente, em uma área aonde a derivada da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia com respeito ao estado da carga do sistema de armazenamento de energia dOCV/dSOC se apresente relativamente elevada. Este fato será descrito em seguida com referência a Fig. 2.

[0037] A Fig.2 apresenta um gráfico 15 da voltagem de saída do circuito aberto (OCV) como uma função do estado químico da carga (SOC) de uma célula eletroquímica típica que pode ser usada em uma guarnição de bateria no sistema de armazenamento de energia 7, de acordo com a descrição anterior. O gráfico 15 é referido comumente também como uma “curva de descarga de voltagem”. A célula eletroquímica pode consistir, preferencialmente, de uma célula de lítio.

[0038] De acordo com uma modalidade, o sistema de armazenamento de energia elétrica 7 pode consistir pelo menos de 100 células eletroquímicas conectadas em série e, preferencialmente, de 150 células conectadas em série, por exemplo, células de lítio. A voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia 7 iguala a voltagem de saída acumulada de cada célula de um agrupamento em comum. Uma guarnição de bateria pode consistir, naturalmente, de dois ou mais agrupamentos conectados em paralelo de células conectadas em séries, aonde cada agrupamento consiste de em torno 100 a 200 células, para a finalidade de aumento da capacidade elétrica total do sistema de armazenamento elétrico.

[0039] O estado da carga (SOC) de um célula, ou um sistema de armazenamento integral é estabelecido, normalmente, em percentual (%) aonde 0% corresponde a célula eletroquímica ou ao sistema de armazenamento elétrico não contendo qualquer carga e 100% corresponde a uma célula ou sistema de armazenamento se apresentando com carga completa. Caso os níveis de carga presentes e máxima da bateria sejam conhecidos, o SOC pode ser calculado por:

aonde Qmax representa a carga elétrica máxima e Qpre representa a carga elétrica presente.

[0040] Preferencialmente, o SOC tanto para as células quanto para todo o sistema de armazenamento de energia pode ser utilizado como parâmetro para a determinação de quando o sistema de armazenamento de energia houver por ter sido descarregado suficientemente e pode ser inciado o balanceamento da célula. Um método comum para a determinação do SOC da célula se dá através de medição do OCV da célula. O OCV de uma célula é determinado através da medição da voltagem de saída da célula quando a célula é desconectada de qualquer carga externa e nenhuma corrente elétrica externa flui através da célula. O OCV está em correlação direta com o SOC da célula conforme indicado através do gráfico 15 na Fig. 2.

[0041] O OCV da célula é afetado pelo carregamento e descarregamento, e a célula necessita de repousar por um certo período de tempo, normalmente, por diversas horas, para chegar a um equilíbrio junto ao OCV medido representando o SOC verdadeiro da célula. Este fato torna o OCV da célula menos bem sucedido na determinação do SOC do sistema de armazenamento elétrico durante o emprego da célula, cujo uso pode envolver períodos frequentes de carga e descarga durante o acionamento, por exemplo, de um ônibus elétrico híbrido em uma cidade.

[0042] O processo de descarga e balanceamento de acordo com o relatório descritivo pode ser inicializado vantajosamente após o sistema de armazenamento elétrico ter repousado por um certo período de tempo (ou seja, um período de tempo de repouso) e o OCV de cada célula houver sido registrado. O sistema de armazenamento elétrico SOC, assim como o SOC da célula, pode ser estimado utilizando-se a contagem coulomb durante o carregamento e descarregamento. Além disso, o sistema de carregamento elétrico SOC estimado pode ser calibrado adicionalmente periodicamente na forma de uma guarnição de bateria plenamente carregada para fins de correção de erros de estimativa em função de deslocamento desvio a longo prazo, etc.

[0043] O balanceamento das células conectadas em série de um sistema de armazenamento elétrico envolve trazer todas as células para dentro de um estado em comum de carga. Cada célula de bateria de uma guarnição de bateria exibe uma composição química diferenciada, diferenciada temperatura corrente, diferenciada impedância interna e diferenciado nível de carga elétrica máxima. Portanto, cada célula irá apresentar uma curva singular de descarga de voltagem. Este fato leva a que seja necessário o balanceamento do SOC da célula quando conectando-se uma pluralidade de células em série.

[0044] Conforme mostrado na Fig. 2, o gráfico 15 é quase chato (ou seja, a derivada dOCV/dSOC é relativamente pequena) para um intervalo 16 entre um primeiro estado de nível de carga 17 e um segundo estado de nível de carga 18. Neste intervalo 16, uma alteração no estado do nível de carga corresponde a uma muito pequena, por vezes dificilmente mensurável, alteração na voltagem de saída da célula 19. Tal resolução de baixa medição do estado de carga torna difícil um preciso balanceamento da célula.

[0045] Antes do início do procedimento de balanceamento torna-se adequado se reduzir o estado da carga do sistema de armazenamento de energia 7 por um intervalo de balanceamento 20 que é posicionado abaixo do primeiro estado do nível de carga 17, sem permitir-se que qualquer célula apresente um SOC abaixo de um terceiro nível de estado de carga 21, conforme muito provavelmente viria a resultar sendo a célula eletroquímica permanentemente enfraquecida ou danificada. Neste referido intervalo de balanceamento 20, o gráfico 15 se apresenta consideravelmente mais escalonado, resultando em um intervalo de voltagem de saída mais amplo 22, ou seja, a derivada é consideravelmente maior, o que significa que mesmo uma pequena diferença no estado de carga da célula proporciona com uma diferença mensurável na voltagem de saída. Isto leva a uma melhor resolução na aferição do estado de carga da célula, e, portanto, tornando mais facilitada a comparação dos níveis do estado de carga entre as células individuais do sistema de armazenamento de energia elétrica 7 durante o processo de balanceamento da célula.

[0046] Ocorre ainda um intervalo 23 similar aonde a derivada é em regra similar ao intervalo 20, no entanto, a partir de um estado de carga mais elevado e com a voltagem de célula arbitrária mais alta do que do intervalo 20. Isto implica em que as células da bateria poderiam de fato serem carregadas de modo a serem posicionadas no interior do referido intervalo 23.

[0047] Dependendo amplamente quanto a composição e tecnologia da célula o UFULL de uma célula pode corresponder, tipicamente, a em torno de 4,5 volts e o SOC a 100%, o UEMPTY pode corresponder a em torno de 3 volts e o SOC a 0%. O formato da curva de descarga é diferente para cada tipo de tecnologia de célula. O formato é também influenciado pelo envelhecimento da célula, etc. O formato da curva de descarga ilustrado na Fig. 2 compreende somente um exemplo extraído de muitos. O nível SOC correspondendo ao primeiro nível de estado de carga 21 pode variar até uma certa extensão entre os diferentes tipos de tecnologias para células e dependendo do envelhecimento.

[0048] Em geral, o sistema de armazenamento elétrico exibe a mesma curva de descarga de voltagem como das células individuais, aonde são compostos os sistemas de armazenamento elétrico, sob a condição de que as células não se apresentem muito sem balanceamento. A curva de voltagem da Fig. 2 pode ser também utilizada para ilustrar o nível limítrofe SOC do sistema de armazenamento elétrico que forma o nível de disparo pré-determinado para a interrupção da descarga e a inicialização do balanceamento da célula, de acordo com o relatório descritivo.

[0049] O balanceamento das células conectadas em série de um sistema de armazenamento elétrico envolve trazer todas as células dentro de um estado de carga em comum. Cada célula de bateria de uma guarnição de bateria exibe uma composição química diferenciada, diferenciada temperatura corrente, diferenciada impedância interna e diferenciado nível de carga elétrica máxima. Portanto, cada célula irá apresentar uma curva de descarga de voltagem singular. Este fato torna o balanceamento SOC da célula necessário quando da conexão de uma pluralidade de células em série.

[0050] Conforme mencionado anteriormente, a unidade de gerenciamento de bateria 8 é configurada para monitoração quanto a uma necessidade para o balanceamento das referidas células. Um procedimento para o balanceamento do sistema de armazenamento de energia 7 de acordo com este relatório descritivo irá ser descrito em seguida com referência a uma modalidade mostrada na Fig. 3, cujo fluxograma apresenta o referido procedimento.

[0051] Normalmente, um sistema de bateria pode ser considerado como sendo necessário a ser balanceado quando a diferença atinge um valor que não se apresenta apropriado para o desempenho da bateria. Em tal situação, as células são consideradas como precisando de balanceamento.

[0052] Conforme indicado com referência ao numeral 24 na Fig. 3, a unidade de gerenciamento de bateria 8 faz, preferencialmente, uma monitoração continuada das células de bateria de modo a determinar se existe uma necessidade para o balanceamento da célula com base nos princípios mencionados acima, Em geral, o balanceamento da célula deve ser iniciado com base nos valores representando o estado da carga e/ou a voltagem da célula arbitrária das células de bateria. De acordo com uma modalidade, uma condição adequada para a determinação quanto a realização do balanceamento da célula é consequente da detecção quanto a se existe uma diferença da voltagem da célula arbitrária entre quaisquer duas células de bateria que excedam a um valor limítrofe pré-determinado. Este valor limítrofe pode, por exemplo, ser de 10mV, variando obviamente dependendo de quais células de bateria vem a ser utilizadas. As medições são providas pelas unidades de detecção (não mostradas nos desenhos) que estejam associadas com cada célula de bateria.

[0053] Caso a condição mencionada acima exista, a unidade de gerenciamento de bateria 9 irá iniciar uma requisição (etapa 25, veja a Fig. 3) para o referido balanceamento com base na condição operacional referente as referidas células de bateria. De acordo com uma modalidade, esta requisição é levada a termo na forma de um sinal indicando ao motorista do veículo em questão que o balanceamento da célula está sendo requisitado. O referido sinal pode ser um sinal visual ou audível, ou uma combinação dos mesmos. Alternativamente, a solicitação pode consistir ainda de um sinal sendo transmitido a partir da unidade de controle remoto, por exemplo, estando associada a uma companhia proprietária do veículo em questão. Em tal modalidade, a unidade de gerenciamento de bateria 8 se encontra em contato com a referida unidade de controle remoto para a determinação de quando se faz necessário o balanceamento da célula.

[0054] Quando a unidade de gerenciamento de bateria 8 houver expedido uma requisição por balanceamento de célula (etapa 25), um sinal de entrada pode ser introduzido junto à unidade de gerenciamento de bateria 8 correspondendo ao tempo agendado para o balanceamento da célula (etapa 26). Isto significa que o motorista do veículo, por exemplo, pode comunicar com a unidade de gerenciamento de bateria 8 de forma a proporcionar com entrada de instruções para início do balanceamento da célula de acordo com um certo agendamento de tempo. De acordo com uma modalidade, essas entradas de instruções podem se dar na forma de entradas manuais pelo motorista do veículo correspondendo a informação advinda do motorista indicando um certo ponto no tempo que se apresenta como adequado para início do balanceamento da célula, Alternativamente, as instruções de entrada podem ser geradas automaticamente na forma de dados transmitidos a partir de uma unidade de controle remoto, incluindo ainda a entrada com respeito a uma adequada sincronização do balanceamento da célula. Isto pode corresponder ao caso em que a solicitação pelo balanceamento da célula é transmitida para a empresa operando a distância responsável por uma frota de veículos, como ônibus ou veículos de transporte, conforme descrito anteriormente.

[0055] Consequentemente, as instruções de entrada junto à unidade de gerenciamento de bateria 8 conforme indicado pelo numeral de referência 28 na Fig. 3 pode ser originada pelo motorista do veículo ou a partir de um indivíduo afastado ou pela empresa (tal como uma companhia de transporte, empresa de ônibus ou algo similar).

[0056] Com base na entrada de instruções referentes ao tempo agendado do balanceamento da célula (etapa 26), a unidade de gerenciamento de bateria 8 é configurada para preparar o sistema de armazenamento de energia para o procedimento de balanceamento de célula através da verificação de se as células da bateria são da região apropriada no gráfico de estado de carga mostrado na Fig. 2. De acordo com uma modalidade, as células de bateria devem estar inseridas em um dos intervalos 20, 23 (como na Fig. 2) contendo uma derivada relativamente elevada. Preferencialmente, a derivada da voltagem de saída com respeito ao estado da carga dOCV/dSOC deve ser duas vezes mais elevada do que a derivada mínima da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia 7 com respeito ao estado da carga do sistema de armazenamento de energia.

[0057] Caso as células de bateria não se enquadrem em quaisquer dos intervalos 20, 23, conforme mencionado anteriormente, a unidade de gerenciamento de bateria 8 é configurada para descarregar o sistema de armazenamento de energia 7 até que o seu estado de carga tenha atingido o intervalo 20 ou, para carregar o sistema de armazenamento de energia 7 até que o seu estado de carga tenha atingido os intervalos 23 (etapa 27). Quando o estado da carga do sistema de armazenamento de energia 7 houver atingido um nível pré-determinado (etapa 28), tem-se início do balanceamento da voltagem das referidas células de bateria (etapa 29).

[0058] Isto implica em que caso o estado da carga do sistema de armazenamento de energia 7 seja mais elevado do que o primeiro nível de estado de carga 17, o estado de carga é rebaixado para o primeiro nível de estado de carga 17 por meio do descarregamento do sistema de armazenamento de energia 7 (etapa 27 na Fig. 3). O descarregamento pode ser realizado pela operação pelo menos de um consumidor elétrico em vista 13 (conforme indicado na Fig. 1) no veículo.

[0059] A unidade de gerenciamento de bateria 8 irá verificar continuamente se o descarregamento é suficiente (etapa 28), ou seja, caso o sistema de armazenamento de energia 7 tenha entrado no intervalo 20 contendo uma derivada relativamente alta. Caso seja este o caso, o descarregamento (ou carregamento, caso seja este o caso) pode ser finalizado (etapa 29) e o balanceamento da célula pode se iniciar.

[0060] A principal vantagem do método descrito da maneira anterior, consiste em que o motorista do veículo pode, por exemplo, ajustar um agendamento de tempo adequado para o balanceamento da célula quando a unidade de gerenciamento de bateria 8 indicar que isto é necessário. Utilizando-se o agendamento do tempo para o balanceamento da célula, a unidade de gerenciamento de bateria 8 pode entrar imediatamente em um modo aonde ela “prepara” o sistema de armazenamento de bateria 7 para o balanceamento da célula em uma maneira otimizada, ou seja, através do descarregamento ou carregamento de modo que esteja dentro de um intervalo possuindo uma derivada relativamente elevada, ou seja, uma derivada da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia 7 com respeito ao estado de carga do sistema de armazenamento de energia dOCV/dSOC, conforme descrito anteriormente.

[0061] Uma vantagem com o processo delineado anteriormente é que o tempo para o processamento de um procedimento de balanceamento de célula pode ser encurtado consideravelmente.

[0062] De acordo com uma modalidade, o sistema de armazenamento de energia 7 se encontra sujeito a um “repouso”, ou a um processo de relaxamento antes do começo do balanceamento da célula presente. A razão para isto é que leva algum tempo para que a voltagem da célula arbitrária assuma os valores estáveis. Esta fase de relaxamento compreende o aguardo por um período de tempo específico e então o aguardo para que a voltagem da célula arbitrária seja registrada para cada célula.

[0063] Além do mais, de acordo com uma modalidade, o relatório descritivo relaciona-se a um programa computacional contendo um mecanismo de programa codificado para a execução das etapas conforme descrito anteriormente quando o referido programa estiver rodando em um computador, ou seja, as etapas de monitoração quanto a necessidade por balanceamento da célula (etapa 24), inicialização de uma solicitação pelo referido balanceamento (etapa 25) com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria, possibilitando a entrada de instruções (etapa 27) representativas de um tempo agendado para o referido balanceamento; descarregamento ou carregamento (etapa 27) do referido sistema de armazenamento de energia 7 até que o seu estado de carga tenha atingido um nível pré-determinado, inicialização do referido descarregamento ou carregamento (etapa 27) de modo que o sistema de armazenamento de energia 7 atinga o referido nível pré-determinado do estado de carga de acordo com as referidas instruções de entrada; e finalmente o balanceamento (etapa 29) das células de bateria.

[0064] Ainda, o relatório descritivo diz respeito a um programa computacional armazenado em uma mídia de leitura por computador para o desempenho das etapas conforme descrição anterior quando o referido produto computacional estiver rodando em um computador.

[0065] O relatório descritivo anterior pode ser modificado em diversos aspectos óbvios sem haver o desvio quando ao escopo das reivindicações apensas. Por consequência, os desenhos e a parte descritiva do mesmo são para serem interpretados como de natureza ilustrativa, sem restrições.

Claims

1. Método para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia (7) compreendendo uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo (1) compreendendo um motor elétrico (3) disposto para a propulsão de referido veículo (1), referido método compreendendo: - monitorar (24) quanto a necessidade pelo balanceamento das referidas células; - iniciar (25) uma solicitação pelo referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; - descarregar ou carregar (27) o referido sistema de armazenamento de energia (7) até que o estado da carga de referido sistema de armazenamento de energia (7) tenha atingido um nível pré-determinado; e - balancear o (29) a voltagem de referidas células de bateria quando o estado de carga do sistema de armazenamento de bateria (1) tiver alcançado o nível pré- determinado; caracterizado pelo fato do método compreender ainda: - viabilizar (28) as instruções de entrada representando um tempo agendado para o referido balanceamento (29) mediante a inicialização da referida solicitação para balanceamento; e - iniciar o referido descarregamento ou carregamento (27) de modo que o sistema de armazenamento de energia (7) atinga o referido nível pré-determinado do estado de carga de acordo com as referidas instruções de entrada.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - iniciar (25) a referida solicitação para balanceamento com base nos valores representando o estado de carga e/ou a voltagem de célula arbitrária de referidas células de bateria.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender: - iniciar (25) a referida solicitação para balanceamento no evento de que a diferença da voltagem de célula arbitrária entre quaisquer duas células de bateria exceda um valor limítrofe pré-determinado.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - viabilizar (26) referidas instruções de entrada na forma de entradas manuais a partir do motorista de um veículo (1).

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - viabilizar (26) as referidas instruções de entrada na forma de dados transmitidos a partir de uma unidade de controle remoto.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de compreender: - transmitir dados relacionados quanto a necessidade por balanceamento das referidas células de bateria a partir do referido veículo (1) para a referida unidade de controle remoto.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - viabilizar (26) as referidas instruções de entrada na forma de dados relacionados a um ponto no tempo aonde o referido balanceamento (29) deve de ser iniciado.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - descarregar ou carregar (27) o referido sistema de armazenamento de energia (7) até que o estado da carga do referido sistema de armazenamento de energia (7) tenha atingido um intervalo (20,23) quando a derivada da presente voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia (7) com relação ao presente estado de carga do sistema de armazenamento de energia (7) dOCV/dSOC é duas vezes mais elevada do que a derivada mínima da voltagem de saída do sistema de armazenamento de energia com relação ao estado de carga do sistema de armazenamento de energia (7).

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: - relaxar o sistema de armazenamento de energia (7) antes do referido balanceamento (29).

10. Disposição para o balanceamento de um sistema de armazenamento de energia (7), compreendendo uma pluralidade de células de bateria conectadas, em um veículo (1) compreendendo um motor elétrico (3) disposto para propulsão de referido veículo (1), referida disposição compreendendo uma unidade de gerenciamento de bateria (8) que é configurada para: - monitoração (24) quanto a necessidade por balanceamento das referidas células, para a - inicialização (25) de uma solicitação para o referido balanceamento com base na condição operacional relacionada as referidas células de bateria; para - descarregamento ou carregamento (27) do referido sistema de armazenamento de energia (7) até que o estado da carga de referido sistema de armazenamento de energia (7) tenha atingido um nível pré-determinado; e para - balanceamento (29) da voltagem de referidas células de bateria; caracterizado pelo fato da referida unidade de gerenciamento de bateria (8) ser configurada ainda para: - viabilizar (26) a entrada de instruções representando um tempo agendado para o referido balanceamento (29) mediante a inicialização (25) da referida solicitação para balanceamento; e para - inicialização do referido descarregamento ou carregamento (27) de modo que o sistema de armazenamento de energia (7) atinga o referido nível pré-determinado do estado de carga de acordo com as referidas entradas de instruções.