PT1641066E

PT1641066E - Instalação de baterias para um submarino

Info

Publication number: PT1641066E
Application number: PT05019827T
Authority: PT
Inventors: Hartmut Angenendt
Original assignee: Howaldtswerke Deutsche Werft
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2010-09-17
Also published as: KR20060051540A; EP1641066B1; DE102004045897A1; EP1641066A3; EP1641066A2; ATE479213T1; DE502005010124D1; ES2348399T3

Description

ΕΡ 1 641 066/ΡΤ DESCRIÇÃO "Instalação de baterias para um submarino" 0 invento refere-se a uma instalação de baterias para um submarino, bem como a um processo para comando de uma instalação de baterias deste tipo.

Os submarinos com accionamento não nuclear apresentam, normalmente, uma instalação de baterias, a qual efectua o accionamento do submarino independente do ar exterior com o auxilio de motores eléctricos. Nestas instalações de baterias são utilizadas baterias de chumbo, em que uma número de baterias ou células de baterias têm que ser ligadas em paralelo para poderem proporcionar a capacidade necessária para um accionamento, independente do ar exterior, suficientemente longo. Além disso, são sempre ligadas em série tantas células, de modo que pode ser proporcionada a tensão necessária à rede de bordo do submarino. Devido ao facto de que durante o carregamento de baterias de chumbo e durante algumas operações de descarga, são necessárias correntes relativamente elevadas, têm que ser aplicadas calhas condutoras de corrente para ligação das células individuais, as quais podem desenvolver campos de dispersão electromagnéticos indesejados. Além disso, na ligação em paralelo de baterias de chumbo tem que ser tomado em consideração que o estado de carga das baterias tem de ser o mais igual que for possível, porque, caso contrário, podem verificar-se correntes de compensação indesejadas entre as baterias.

Desvantagem principal das instalações de baterias conhecidas é que a capacidade global das baterias é limitada, tendo em consideração a intensidade das correntes de curto-circuito possíveis. Com o aumento da capacidade das baterias, aumenta também a intensidade das correntes de curto-circuito possíveis. De acordo com isto, todos os cabos de ligação e comutadores têm que ser dimensionados suficientemente fortes. Mas devido às correntes de ligação dos comutadores disponíveis serem limitadas, é também limitada a capacidade global de instalações de baterias deste tipo. 2 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ

Em WO 02/15361 AI é referida uma instalação de propulsão de um submarino, em que as baterias podem ser ligadas opcionalmente em paralelo ou em série, para proporcionar diferentes tensões para o motor de accionamento. Para protecção estão previstos, neste caso, limitadores de corrente de alta temperatura. Estes têm que ser refrigerados e provocam, por sua vez, ruidos indesejados e requerem um espaço de montagem relativamente grande. Por esta razão, não é óptima a utilização deste tipo de comutadores num submarino. É por isso o objectivo do invento proporcionar uma instalação aperfeiçoada de baterias para um submarino, bem como um processo para comando deste tipo de instalação de baterias, o que permite uma elevada capacidade global da instalação de baterias, evitando as desvantagens referidas acima.

Este objectivo será conseguido por meio de uma instalação de baterias para um submarino com as caracteristicas referidas na reivindicação 1, bem como por meio de um processo com as caracteristicas referidas na reivindicação 12. Os modos de realização preferidos resultam das reivindicações secundárias correspondentes, da descrição que se segue, bem como das figuras. A instalação de baterias, de acordo com o invento, para um submarino apresenta, pelo menos, dois módulos de baterias. Neste caso, os módulos de baterias são concebidos, de modo que têm, respectivamente, a tensão da rede de bordo do submarino. Para se conseguir isto, os módulos de baterias podem ser formados por várias células de bateria ligadas em série, para formar um denominado módulo de tensão global, o qual fornece a tensão da rede de bordo. A disposição de um comutador entre cada módulo de baterias e a rede de bordo permite ligar individualmente à rede de bordo o módulo de baterias correspondente e desligar o mesmo da rede de bordo, ou seja, desligar o mesmo. Esta disposição permite, assim, que os módulos de baterias individuais sejam ligados, em caso de necessidade, à rede de bordo. Assim, podem ser sempre ligados tantos módulos de baterias, de modo que a potência necessária no momento, principalmente para o accionamento, 3 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ possa ser proporcionada pela instalação de baterias. Os restantes módulos de baterias podem ser mantidos desligados, pelo que correntes de curto-circuito máximas existentes podem ser reduzidas. Para aproveitar a capacidade global da instalação de baterias os módulos de baterias, podem, de modo alternado, ser uns desligados e os outros ligados, de modo que cada módulo de baterias possa ser descarregado e, assim, aproveitada a capacidade global da instalação de baterias. Através da disposição da instalação de baterias em vários módulos de baterias, é possível aumentar a capacidade global da instalação de baterias, sem aumentarem as correntes de curto-circuito possíveis.

Um módulo de baterias pode apresentar várias células de baterias, ligadas em paralelo para o aumento da potência a fornecer, em que, de acordo com o invento, todas as células de baterias ligadas em paralelo, podem ser divididas, pelo menos, em dois módulos de baterias a serem ligados separadamente. De modo ideal, são previstos vários módulos de baterias, para se poder comandar de modo mais flexível a instalação de baterias e adaptar às necessidades de potência.

Está previsto um dispositivo de comando, o qual acciona os comutadores dos módulos individuais das baterias e accionando os mesmos de modo que, no máximo, só é ligada uma quantidade de módulos de baterias à rede de bordo, de modo que não possa ser ultrapassada na rede bordo uma corrente de curto-circuito máxima predefinida. 0 dispositivo de comando proporciona, neste caso, que todos os módulos de baterias sejam ligados e desligados à rede de bordo, de acordo com as necessidades, de modo que a capacidade global da instalação de baterias possa ser totalmente aproveitada. Neste caso, o dispositivo de comando garante que apenas é ligada em paralelo a quantidade máxima de módulos de baterias para não ser ultrapassada a corrente de curto-circuito máxima permitida, para não sobrecarregar os componentes da instalação, tais como os cabos de ligação e os comutadores.

De preferência são concebidos ou podem ser comandados, pelo menos, dois comutadores dos módulos de baterias, de modo a ser proporcionado um bloqueamento, o qual actua de modo que se um comutador for fechado, pelo menos, um outro comutador 4 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ não pode ser momentânea ou permanentemente fechado. Os dois comutadores estão, assim, bloqueados entre si, de modo que só pode ser fechado permanentemente apenas um deles. Este bloqueio pode processar-se por meio de um acoplamento mecânico do comutador ou em termos técnicos de comando, por exemplo, num dispositivo central de comando, a qual é concebida de modo que os dois comutadores não são fechados simultaneamente. No caso de serem proporcionados mais de dois módulos de baterias, os comutadores podem ser concebidos, de modo que só um número determinado de comutadores pode ser simultaneamente fechado. Isto também pode ser concretizado mecanicamente ou apenas com pura técnica de comando de um dispositivo central de comando electrónico. Neste caso a instalação é concebida de preferência, de modo que só uma quantidade determinada de comutadores pode ser fechada, correspondente às das baterias que são ligadas à rede de bordo e de modo que uma corrente de curto-circuito máxima possivel não possa ser ultrapassada. 0 bloqueamento pode ser concebido de modo que seja possivel uma ligação durante um período de tempo curto de ambos os módulos de baterias ou de vários módulos de baterias, para garantir uma alimentação de corrente livre de comutações, mesmo durante a substituição ou comutação dos módulos de baterias que se encontram em utilização.

Para isso, o dispositivo de comando deve, de preferência, ser equipado de modo a accionar os comutadores para, quando é desligado um módulo de baterias e quando é simultaneamente ligado um outro módulo de baterias à rede de bordo, ambos os módulos de baterias estão ligados durante um período de tempo curto à rede de bordo, ou seja, um módulo de baterias só é desligado quando o outro módulo de baterias já está ligado à rede de bordo. Deste modo é assegurado que na substituição ou comutação dos módulos de baterias, não se verifica qualquer comutação na alimentação de corrente. No entanto, isto pode ser problemático durante a utilização de baterias de chumbo, porque devido a grandes diferenças de tensão entre módulos de baterias carregados e descarregados, se podem verificar correntes de compensação indesejadas, se forem ligados simultaneamente à rede de bordo um módulo carregado e um outro descarregado. 5 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ

Este problema pode ser evitado se o dispositivo de comando for construído de modo a ligar e desligar os módulos de baterias individuais à rede de bordo de um modo alternado de ligar e desligar, para que os módulos de baterias sejam uniformemente descarregados. Um módulo de baterias não se mantém, assim, ligado à rede de bordo até ficar totalmente descarregado, mas sim, durante uma descarga parcial comparativamente reduzida é desligado da rede de bordo e substituído por um outro módulo de baterias menos fortemente descarregado, o qual é simultaneamente ligado à rede de bordo. Neste caso, a descarga parcial dos módulos de baterias individuais é, de preferência, seleccionada de modo que as diferenças de tensão entre os módulos de baterias individuais não ultrapassam um valor limite previamente determinado, em que o valor limite é determinado de modo que a corrente de compensação, que se verifica, durante a ligação simultânea, entre os módulos de baterias não ultrapassa um valor pré-estabelecido. Isto significa que, de um modo ideal, todos os módulos de baterias, pelo ligar e desligar alternado à rede de bordo, são mantidos, essencialmente, com o mesmo nível de tensão, de modo que entre os módulos de baterias individuais e durante a ligação simultânea, podem ser evitadas correntes de compensação indesejadas. Ou seja, as situações de carga dos módulos de baterias individuais, através da descarga alternada uniforme, são mantidas, essencialmente, com o mesmo nível. Este processo é indicado, especialmente, para a utilização de baterias de chumbo.

Na instalação de baterias de acordo com o invento, são também aplicados, de preferência, módulos de baterias, os quais são constituídos por baterias de lítio. Estas podem ser, por exemplo, baterias de LiCo02 com electrólitos inorgânicos. As baterias de lítio deste tipo têm a vantagem da sua tensão de saída, durante a descarga da bateria, sofrer apenas uma ligeira alteração. Ou seja, as diferenças de tensão entre uma bateria completamente carregada e completamente descarregada são claramente mais reduzidas nas baterias de lítio do que nas baterias de chumbo. Devido a isso, é possível ser feita uma ligação em paralelo com maior facilidade com as baterias de lítio durante um período de tempo curto dos módulos de baterias, quando é ligado um módulo de baterias completamente carregado à rede de bordo e, 6 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ simultaneamente desligado um módulo de baterias completamente descarregado, sem se verificarem as correntes de compensação indesejadas. Além disso, os elementos consumidores já não necessitam de estar preparados para as grandes diferenças de tensão na rede de bordo. A utilização de baterias de litio, em comparação com as conhecidas baterias de chumbo, tem também a vantagem das baterias de litio não terem manutenção. Assim, pode prescindir-se totalmente dos espaços de manutenção necessários, os quais permitem o acesso às baterias de chumbo. Além disso, pode também prescindir-se da conhecida reserva de água destilada para as baterias de chumbo, bem como do necessário fundo húmido no espaço das baterias quando da manipulação de água destilada. Além disso, pode também prescindir-se das ventilações e medidas de protecção contra explosões necessárias, porque as baterias à base de litio não libertam quaisquer tipos de gases inflamáveis. A instalação de ventilação pode ser dimensionada como se exige para espaços desocupados. A iluminação dos espaços das baterias pode ser também minimizada, porque as inspecções só podem acontecer durante os tempos de estadia no porto ou no estaleiro. É também desnecessária uma circulação do ácido, como é normal nas células individuais das baterias de chumbo. É também preferido que cada módulo de baterias seja ligado, por meio de um cabo de ligação adicional, a um dispositivo de carga do submarino. Esta disposição tem, por um lado, a vantagem de todos os módulos de baterias poderem ser carregados independentemente uns dos outros. Para isso podem ser previstos os correspondentes comutadores. Por outro lado, esta disposição tem a vantagem dos módulos de baterias apresentarem cabos de ligação separados para a rede de bordo, para o procedimento de descarga e cabos de carga para o carregamento dos módulos de baterias. Isto permite que na descarga os módulos de baterias sejam ligados individualmente à rede de bordo, para se poder limitar a corrente de curto-circuito máxima. Devido aos cabos de carga separados, é também possível, para efectuar o carregamento dos módulos de baterias, ligar em paralelo alguns ou todos os módulos de baterias. Os cabos de carga individuais têm a vantagem de terem apenas que transmitir a corrente de carregamento para 7 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ um único módulo de baterias individual, de modo que os cabos de carga, ao contrário dos cabos de ligação conhecidos das baterias de chumbo, podem ser dimensionados para correntes mais fracas. As correntes mais fracas dão lugar também a campos de dispersão electromagnéticos. Os cabos de carregamento são, de preferência, unipolares, estando o outro pólo do dispositivo de carregamento, por exemplo, um gerador ligado normalmente à rede de bordo e com os cabos de ligação previstos para a descarga dos módulos de baterias.

De preferência, as linhas de ligação eléctrica, através das quais os módulos de baterias estão ligados à rede de bordo, estão dispostas de modo que cada módulo de baterias está ligado à rede de bordo por meio de uma linha independente de ligação eléctrica, através da qual o módulo de baterias pode ser descarregado. Esta disposição tem a vantagem das linhas de ligação eléctrica individuais dos módulos de baterias só transmitirem, respectivamente, a potência dos módulos de baterias individuais, de modo que podem ser preparadas para correntes mais fracas que as conhecidas calhas condutoras de corrente. Assim as linhas de ligação eléctrica e, eventualmente, também o cabo condutor de carregamento podem ser concebidos como cabos multifilares ou multipolares, através dos quais são evitados os campos de dispersão electromagnéticos. E também preferido que no cabo condutor de carregamento de cada módulo de baterias esteja disposto um diodo. Os díodos nos cabos condutores de carga estão dispostos de modo que uma corrente no cabo condutor de carregamento pode apenas circular do cabo condutor de carregamento, por exemplo, de um gerador, para o módulo de baterias. Através disso é excluída uma alimentação de retorno para outros módulos de baterias através dos cabos condutores de carga e não se contribui para a formação de correntes de curto-circuito. Os díodos estão dispostos, de preferência, junto ou directamente nos módulos de baterias.

De acordo com um modo de execução especialmente preferida, cada módulo de baterias pode ser comutado por meio de um comutador de semicondutor com o cabo condutor de carregamento. Um comutador de semicondutor deste tipo pode 8

ΕΡ 1 641 06 6/PT ser activado electronicamente, por exemplo, a partir de um dispositivo central de comando, para assim iniciar ou terminar individualmente o procedimento de carregamento de cada módulo de baterias. Em alternativa também pode ser previsto um comutador, o qual é activado manualmente, o mesmo pode ser um comutador mecânico ou um comutador activado por processo electrónico ou eléctrico. Os comutadores de semicondutor oferecem a vantagem de serem desnecessários díodos especiais. Como o comutador de semicondutor pode, por exemplo, ser utilizado um comutador, o qual funciona como um tirístor, ou um comutador, o qual funciona como um transístor. 0 comutador de semicondutor semelhante a um tirístor está, neste caso, concebido de modo que é aberto por meio de um impulso de ligação curto e é mantido aberto enquanto circula uma corrente de carregamento.

Cada módulo de baterias apresenta também, de preferência, circuitos electrónicos modulares, os quais incluem, pelo menos, um valor característico do módulo de baterias correspondente. Dos valores característicos a ser incluídos podem, por exemplo, ser a corrente, a tensão em circuito aberto e/ou as temperaturas ou semelhante. Os valores característicos detectados são avaliados directamente nos próprios circuitos electrónicos modulares e sujeitos a um tratamento posterior e/ou através de uma correspondente interface e linha de dados, transmitidos para uma instalação prioritária, como circuitos electrónicos de comando central, aos quais, por exemplo, comandam o ciclo de carregamento e de descarga de todos os módulos de baterias. Em alternativa ou adicionalmente os circuitos electrónicos modulares no módulo de baterias podem os mesmos comandar o ciclo de carregamento e/ou descarga do módulo de baterias correspondente.

Para isso, os circuitos electrónicos modulares são concebidos, de preferência, de modo que ligarem e/ou desligarem o comutador de semicondutor, dependendo do valor característico detectado e dos vários valores característicos detectados, para ligar electricamente o módulo de baterias com o cabo condutor de carregamento ou para o desligar deste. Isto significa que os circuitos electrónicos modulares identificam, devido aos valores característicos actuais detectados, por exemplo, a tensão de alimentação e a tensão 9 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ de circuito aberto, o estado de carga do respectivo módulo de baterias e provoca automaticamente a recarga do módulo de baterias correspondente, em que os mesmos ligam electricamente o módulo de baterias ao cabo condutor de carregamento. De acordo com isto os circuitos electrónicos modulares pode ser construídos de modo que os mesmos, ao atingir a situação de carga total do módulo de baterias correspondente, abre o comutador de semicondutor, para separar electricamente o módulo de baterias do cabo condutor de carregamento. Neste caso, é também viável um modo de realização, na qual o início do ciclo de carregamento, ou seja, o fecho do comutador de semicondutor dos módulos de baterias individuais pode ser efectuado centralmente através do accionamento manual ou através de um dispositivo central de comando e apenas o final do procedimento de carga para todos os módulos de baterias é efectuado individualmente, através da correspondente circuitos electrónicos modulares.

Em alternativa pode, de acordo com um outro modo de execução do invento, a instalação de baterias ser concebida, de modo que o accionamento do comutador de semicondutor para desligar o módulo de baterias do cabo condutor de carregamento, ter lugar por meio de um comando de comutação de um dispositivo central de comando da instalação de baterias ou através da alteração ou comutação da corrente de carregamento da instalação de carregamento. Neste caso, a alteração pode ser causada, por exemplo, uma redução ou comutação da corrente de carregamento por um dispositivo central de comando ou manualmente. Para uma ligação e separação objectiva do módulo de baterias do cabo condutor de carregamento, através de um comando de comutação de um dispositivo central de comando ou dos circuitos electrónicos modulares do módulo de baterias correspondente é indicado especialmente um comutador de semicondutor do tipo transístor.

Quando da utilização de um comutador de semicondutor do tipo de tirístor, o procedimento de carregamento pode ser iniciado de modo que o comutador de semicondutor é fechado por meio de um impulso de ligação dos circuitos electrónicos modulares ou de circuitos electrónicos de comando central. Por exemplo, os circuitos electrónicos modulares podem 10 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ reconhecer que foi iniciado um ciclo de carregamento da instalação de baterias, no qual é detectado se no cabo condutor de carregamento existe a tensão de carga. Caso seja necessário um carregamento do módulo de baterias correspondente, os circuitos electrónicos modulares ou um dispositivo central de comando pode então ligar o módulo de baterias correspondente ao cabo condutor de carregamento através do accionamento do comutador de semicondutor. 0 comutador de semicondutor fica então fechado, enquanto circula uma corrente de carregamento. Para finalizar o procedimento de carga a corrente de carregamento pode ser comutada, através do que o comutador de semicondutor do tipo de tirístor é aberto e o módulo de baterias correspondente é separado do cabo condutor de carregamento. Para, deste modo poder comandar de modo automatizado o procedimento de carga é possível, por exemplo, comutar durante intervalos de tempo curtos pré-estabelecidos a corrente de carregamento, através do que todos os comutadores de semicondutor dos módulos de baterias individuais são abertos. Depois de concluída a comutação da corrente de carregamento os respectivos circuitos electrónicos modulares dos módulos de baterias ou um dispositivo central de comando ligam então novamente apenas os módulos de baterias ao cabo condutor de carregamento que ainda não tenham recebido a carga completa. A instalação de baterias apresenta também, de preferência, um comutador de emergência suplementar para ligação de cada módulo de baterias ao cabo condutor de carregamento. Um comutador de emergência deste tipo pode ser activado manualmente, no caso dos circuitos electrónicos de comando ou os circuitos electrónicos modulares e/ou comutador de semicondutor falharem. Para isso pode ser previsto um comutador puramente mecânico, o qual pode, então, ser fechado para se poder carregar o respectivo módulo de baterias através do accionamento manual. É também possível prever um comutador de emergência entre um cabo condutor de carregamento central e o cabo de descarga, de modo que fechando este comutador, os módulos de baterias podem ser carregados por meio dos cabos de descarga, numa situação de emergência. 11 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ Ο invento refere-se também a um processo para comando de uma instalação de baterias para um submarino, de acordo com a descrição anterior. A instalação de baterias a ser comandada apresenta, pelo menos, dois, de preferência, uma pluralidade de módulos de baterias. Os módulos de baterias têm, respectivamente, a tensão da rede de bordo do submarino. De acordo com o tipo de baterias utilizadas podem, ser ligadas em série várias células, para proporcionar a tensão requerida. Além disso, o módulo de baterias pode também apresentar várias células ligadas em paralelo para alcançar um determinado débito de potência ou capacidade do módulo de baterias. 0 comando desta instalação de baterias é feito, de acordo com o invento, de um modo que para descarregar os módulos de baterias, ou seja, para alimentação de energia do submarino e principalmente do seu accionamento, é ligada alternadamente apenas uma quantidade determinada de módulos de baterias à rede de bordo. Isto significa que não estão, simultaneamente, todos os módulos de baterias ligados à rede de bordo para a alimentar em energia. A alimentação de energia é presentemente feita sempre apenas através de uma quantidade limitada de módulos de baterias. Neste caso, a quantidade de módulos de baterias ligados simultaneamente à rede de bordo é seleccionada de modo que o módulo ou os módulos de baterias ligados simultaneamente à rede de bordo podem fornecer apenas uma potência, de modo que não possa ser ultrapassada uma corrente de curto-circuito máxima predeterminada. Assim, através do processo de acordo com o invento e da divisão da instalação de baterias em, pelo menos, dois módulos de baterias independentes, que podem ser ligados à rede de bordo, pode ser conseguida uma limitação da corrente de curto-circuito máxima. Isto permite que os cabos eléctricos, as instalações, os comutadores, etc., da rede de bordo sejam dimensionados para as correspondentes correntes reduzidas. Ao mesmo tempo é possível, sem quaisquer problemas construir uma instalação de baterias com maior capacidade global sem aumentar a corrente de curto-circuito máxima.

Os módulos de baterias são ligados e descarregados para a rede de bordo alternadamente de modo que é conseguida uma descarga uniforme de todos os módulos de baterias. Ou seja o 12 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ ligar e ο desligar dos módulos de baterias individuais é comandado de modo que um módulo de baterias não seja descarregado totalmente, antes de ser ligado um próximo módulo de baterias ainda não descarregado. Em vez disso tem lugar, respectivamente, apenas uma descarga reduzida do módulo de baterias, comutando-se, depois para um módulo de baterias seguinte, o qual está menos descarregado. Neste caso, os módulos de baterias individuais são ligados alternadamente, de modo que as diferenças de tensão entre os módulos de baterias individuais não ultrapassam um determinado valor limite apesar da carga diferente. Este valor limite foi seleccionado de modo que numa ligação simultânea dos módulos de baterias à rede de bordo, não circulam ou circulam apenas correntes de compensação fracas. Este processo é, assim, especialmente indicado para a utilização das baterias de chumbo.

Também se prefere que todos os módulos de baterias sejam carregados simultaneamente. Isto é conveniente para se poder voltar a carregar toda a instalação de baterias o mais rapidamente possível e, assim, para manter o funcionamento do submarino dependente do ar exterior o mais curto possível. De um modo especialmente favorável é possível voltar a carregar em conjunto as baterias de lítio, porque estas apresentam uma reduzida elevação de tensão entre os estados carregado e descarregado, de modo que numa ligação em paralelo dos módulos de baterias com diferentes níveis de carga não se verificam as indesejadas correntes de compensação devido às diferenças de tensão.

Prefere-se, em especial, que o estado de carga de cada módulo de bateria individualmente seja controlado e o procedimento de carregamento dos módulos de baterias individuais seja iniciada independente dos outros módulos de baterias ou independente dos outros módulos de baterias, seja iniciada e/ou terminada. Deste modo podem ser obtidos tempos de carga muito curtos, porque o procedimento de carga de cada módulo de baterias individualmente pode ser adaptada de modo optimizado ao respectivo estado de carga do módulo de baterias. Além disso, através do desligar atempado do módulo de baterias já completamente carregado do cabo condutor de carregamento, é evitada uma sobrecarga dos módulos de 13

ΕΡ 1 641 06 6/PT baterias. O iniciar e/ou terminar do procedimento de carga de cada módulo de baterias individual pode processar-se manual ou automaticamente através de uma unidade de comando central ou de circuitos electrónicos modulares local em cada módulo de baterias individual.

De acordo com um modo de execução especial do processo os módulos de baterias individuais são ligados por meio de um cabo condutor de carregamento, respectivamente, por meio de um comutador, de preferência, um comutador de semicondutor e os comutadores são fechados para início do carregamento, para ligar electricamente o módulo de baterias correspondente ao cabo condutor de carregamento, sendo que depois de se alcançar a carga integral de um módulo de baterias o comutador correspondente é bloqueado para evitar que seja ligado de novo. Um comutador deste tipo pode ser concebido, por exemplo, como comutador de semicondutor com a função de tirístor. 0 fechar do comutador de semicondutor pode processar-se centralmente de modo manual ou através de um dispositivo central de comando ou também localmente por meio de circuitos electrónicos modulares do módulo de baterias correspondente. O ligar pode, por exemplo, ser executado automaticamente através dos circuitos electrónicos modulares locais, logo que no cabo condutor de carregamento exista uma tensão de carga, produzida por uma instalação de carga. O comutador pode então ser desligado de modo auto-fixante como uma espécie de tirístor, ou seja, o mesmo mantém-se fechado enquanto circular uma corrente de carregamento. Para terminar o procedimento de carga, a corrente de carregamento é desligada ou comutada. 0 bloqueamento dos comutadores dos módulos de baterias integralmente carregados faz com que ao ser ligada novamente a corrente de carregamento são apenas ligados automaticamente com o cabo condutor de corrente os módulos de baterias que ainda não possuam a carga completa. Se, de acordo com este processo, a corrente de carregamento for comutada ou desligada durante um espaço de tempo curto em intervalos regulares pode, através do ligar e desligar individual dos módulos de baterias, ser conseguida nos cabos condutores de carregamento uma carga completa da instalação global de baterias, sendo que cada módulo de baterias é carregado individualmente de acordo com o seu respectivo 14 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ estado de carga, de modo que é evitada uma sobrecarga dos módulos de baterias individuais.

Em seguida o invento será descrito por meio de exemplos, com o auxilio das figuras anexas. Nestas é mostrado: na Fig. 1 a construção esquemática de uma instalação de baterias, de acordo com um primeiro modo de execução do invento, na Fig. 2 a construção esquemática de uma instalação de baterias, de acordo com um segundo modo de execução do invento, e na Fig. 3 a construção esquemática dos circuitos electrónicos modulares de um módulo de baterias, de acordo com a instalação de baterias, a qual está representada na

Fig. 2 A Fig. 1 mostra um plano de ligações esquemático da rede de bordo de um submarino. Nos dois condutores eléctricos da rede de bordo estão, essencialmente, ligados todos os componentes da instalação de baterias, bem como os consumidores eléctricos e outros conjuntos para alimentação de energia. Ou seja, os condutores eléctricos 2 e 4 ligam os consumidores e as diferentes fontes de corrente. A instalação de baterias mostrada apresenta três módulos de baterias BM, embora a instalação de baterias possa apresentar mais que três ou apenas dois módulos de baterias BM. Os módulos de baterias BM compreendem cada um, se necessário, várias células de bateria, as quais estão ligadas em série para poderem fornecer tensão de bordo necessária entre os condutores eléctricos 2 e 4. Em alternativa ou adicionalmente podem estar ligadas em paralelo várias células dentro de um módulo de baterias BM, para aumentar a potência ou a capacidade do módulo de baterias BM. Cada módulo de baterias BM apresenta em cada um dos seus pólos de ligação, um comutador 6 ou 8, por meio do qual os condutores eléctricos 2 e 4 são ligados. 0 comutador 6 só é aberto para fins de manutenção. 15

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Além disso, a instalação mostrada na Fig. 1 apresenta, como outro componente importante, um gerador G, o qual está ligado aos condutores eléctricos 2 e 4 igualmente por meio de comutadores 10. O gerador G é concebido, de preferência, como um gerador diesel, o qual é accionado pela máquina diesel do submarino.

Além disso, na rede de bordo de um submarino, mostrada na Fig. 1, está ligado um motor Μ, o qual está, igualmente, ligado aos condutores eléctricos 2 e 4 por meio dos comutadores 12. Além disso, entre o motor e a rede de bordo pode estar previsto um correspondente regulador para regular ou comandar o motor. O motor serve como motor de accionamento da hélice do submarino.

Além disso, na Fig. 1 é mostrado um conversor da rede de bordo 14 ligado aos condutores eléctricos 2 e 4, o qual serve para converter a corrente continua fornecida pelos condutores eléctricos 2 e 4 em corrente alternada para os consumidores eléctricos, os quais forçosamente têm que funcionar com corrente alternada. Nos condutores eléctricos 16 podem ser ligados outros consumidores de corrente continua, se necessário, podem ser ligados aos condutores 2 e 4. No exemplo mostrado na Fig. 1 está também desenhada uma instalação de PIA (Propulsão Independente do Ar) que pode ser, por exemplo, uma instalação de células combustíveis, a qual pode, por exemplo, alimentar igualmente a rede de bordo em energia eléctrica. A disposição, de acordo com o invento, dos módulos de baterias BM independentes tem a vantagem de poder ser proporcionada uma capacidade global aumentada da instalação de baterias, sem aumentar a corrente de curto-circuito possível entre os condutores eléctricos 2 e 4. Através dos comutadores 6 e/ou 8 são ligados os módulos individuais de baterias BM, de acordo com as necessidades, por meio dos condutores eléctricos 2 e 4 e, assim, à rede de bordo do submarino. Neste caso são ligados tantos módulos de baterias BM à rede de bordo, como os que são necessários para proporcionar a potência necessária para o funcionamento dos consumidores ligados. Os módulos de baterias BM desnecessários ficam desligados da rede de bordo, ou seja, 16 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ dos condutores eléctricos 2 e 4, em que os comutadores 6 e/ou 8 são abertos. Se um módulo de baterias BM for descarregado, o mesmo é separado da rede de bordo através da abertura dos comutadores 6 e/ou 8 e um outro módulo de baterias BM é ligado à rede de bordo, através do fecho dos correspondentes comutadores 6, 8, ou seja, aos condutores eléctricos 2 e 4. Em vez de um módulo de baterias BM ser descarregado completamente podem ser utilizados todos os módulos de baterias BM, de preferência, com uma alternância uniforme, de modo que os módulos individuais de baterias BM estão ligados respectivamente, durante um tempo determinado, aos condutores eléctricos 2, 4 e são descarregados. Neste caso, o módulo individual de baterias BM é desligado da rede de bordo logo que passe um tempo de descarga comparativamente curto e é ligado um outro módulo de baterias que esteja menos descarregado. Deste modo todos os módulos de baterias podem ser descarregados uniformemente. Assim, cada módulo de baterias é apenas descarregado o necessário de modo que a diferença de carga e, assim, de tensão entre os módulos de baterias carregados de modo diferente não ultrapassa um valor previamente determinado, de modo que não podem surgir correntes de compensação indesejadas entre os módulos de baterias individuais. Isto é, em especial, importante nas baterias de chumbo.

Na instalação representada na Fig. 1 está previsto adicionalmente aos comutadores 8 um sistema de bloqueio 17, o qual assegura que, se estiver ligado um módulo de baterias aos condutores eléctricos 2 e 4, os dois outros módulos de baterias BM mostrados não podem ser ligados aos condutores eléctricos 2 e 4. Para isso, os comutadores 8 dos dois outros módulos de baterias BM são bloqueados através do sistema de bloqueio 17, de modo que os comutadores 8 não podem ser fechados. Este sistema de bloqueio pode ser de construção eléctrica ou mecânica. Além disso, o sistema de bloqueio, para o caso de ser prevista uma quantidade maior de módulos de baterias BM, pode ser concebido de modo que pode ser ligado simultaneamente mais que um módulo de baterias à rede de bordo. Assim, o sistema de bloqueio 17 pode, por exemplo, ser concebido de modo que podem sempre ser ligados simultaneamente à rede de bordo dois módulos de baterias BM, enquanto os outros módulos de baterias BM se mantêm 17 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ desligados da rede de bordo e os seus comutadores 8 estão bloqueados na posição "aberta". A Fig. 2 mostra esquematicamente num correspondente plano de ligações, um outro modo de execução da instalação de baterias de acordo com o invento. A instalação global de acordo com a Fig. 2 apresenta, como se descreve em cima, dois condutores eléctricos 2 e 4. De acordo com isto, estão igualmente previstos um motor M, um gerador G, um conversor da rede de bordo 14 e outros consumidores nas ligações 16. Além disso, estão igualmente previstos mais módulos de baterias BM correspondentes, em que, como referido na Fig. 2, está prevista uma quantidade de módulos de baterias BM1, BM2, ...BMn. Como descrito com o auxilio da Fig. 1, os módulos de baterias estão ligados aos condutores eléctricos 2 e 4, através dos comutadores 6 e 8.

Divergindo do modo de execução de acordo com a Fig. 1, na instalação de acordo com a Fig. 2 está previsto um cabo condutor de carregamento, ou uma calha de carregamento, 18, o qual ao carregar os módulos de baterias BM forma o pólo positivo. 0 pólo negativo está também disposto no procedimento de carga no condutor eléctrico 2. 0 gerador G está ligado ao condutor eléctrico 2 e à calha de carregamento 18 através dos comutadores 10. Os módulos de baterias BM 1 a BMn estão ligados, respectivamente, por meio de um cabo condutor de carregamento 20 e de um comutador 22 à calha de carregamento 18. Além disso, em cada cabo condutor de carregamento 20 está previsto um diodo 24 no módulo de baterias correspondente BM, o qual impede uma alimentação de retorno para o módulo de baterias correspondente para a calha de carregamento 18, ou seja, a corrente só pode circular da calha de carregamento 18, por meio do cabo condutor de carregamento 20, para o módulo de baterias BM, mas não pode retornar. A disposição da calha de carregamento separada 18, e do cabo condutor de carregamento separado 20 com o módulo de baterias BM permite que sejam ligados em paralelo por meio do cabo condutor eléctrico 2, bem como da calha de carregamento 18, através do fecho dos comutadores 22, para o carregamento de uma quantidade maior até à quantidade total dos módulos de 18 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ baterias. Para a descarga, os módulos de baterias que devem ser ligados ao cabo condutor eléctrico ou à linha de descarga 4, bem como ao cabo condutor eléctrico 2, os comutadores 8 são fechados. Isto permite paralelamente à função de carregamento, ligar a quantidade de módulos de baterias BM, que são necessários para o funcionamento de bordo, ao cabo de descarga.

Os comutadores 22 são accionados por circuitos electrónicos modulares individuais ME em cada módulo de baterias ou por um dispositivo central de comando, para comandar individualmente o procedimento de carga de cada módulo de baterias. Assim, através dos circuitos electrónicos modulares ME, pode ser detectada o estado de carga do respectivo módulo de baterias e o módulo de baterias pode ser desligado da calha de carregamento 18 pela abertura do comutador 22, se o respectivo módulo de baterias BM estiver completamente carregado. Deste modo pode ser evitada uma sobrecarga. De acordo com isto podem, para iniciar o carregamento, serem apenas ligados os módulos de baterias BM, que estão descarregados, às calhas de carregamento 18. Os módulos de baterias que ainda não estão descarregados, não podem, portanto, ser ligados primeiro com as calhas de carregamento 18.

Os circuitos electrónicos modulares ME podem, por um lado, assumir apenas funções de exploração, de modo que, por exemplo, ao serem detectadas a tensão das baterias, a corrente de descarga e/ou a temperatura das baterias e, através de uma interface ou linha de dados correspondente, transmitida aos circuitos electrónicos de comando central. Em alternativa ou adicionalmente os circuitos electrónicos modulares ME podem comandar individualmente o procedimento de carregamento do módulo de baterias correspondente BM e comandar o comutador 22 e/ou o díodo 24, desde que se trate de um díodo ligável.

Além disso, está previsto um comutador de emergência 25, o qual pode ser concebido como comutador mecânico e através do qual a calha de carregamento 18 pode ser ligada manualmente à linha de descarga 4. Isto permite que, no caso de falharem os circuitos electrónicos modulares ME ou os 19 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ comutadores 22 ou ο díodo 24, os módulos de baterias BM poderem ser ligados através da linha de carregamento 24 ou do condutor eléctrico 4 ao pólo positivo do gerador G e serem carregados por meio do condutor eléctrico 4 e dos comutadores 8. Em alternativa pode também estar previsto para cada módulo de baterias BM1 a BMn um comutador de emergência, o qual curto-circuita o díodo 24 e/ou o comutador 22, de modo a poder ligar o respectivo módulo de baterias BM, no caso de falha dos circuitos electrónicos modulares ou do comutador 22, directamente à calha de carregamento 18.

Um exemplo de construção dos circuitos electrónicos modulares ME está representado esquematicamente na Fig. 3. Os circuitos electrónicos modulares ME têm uma instalação de recolha de dados, a qual, por um lado, recolhe os dados modulares 26, como tensões, correntes, temperaturas, etc., e, por outro lado, recolhe dados 28 de um sistema de automação prioritário, por exemplo, de circuitos electrónicos de comando central. Os dados D provenientes da recolha de dados são transmitidos, por um lado, para uma unidade computorizada R, assim como, por outro lado, para uma unidade de memória S. A unidade de memória S comunica também com a unidade computorizada para memorizar os dados, por exemplo, os valores característicos sobre a evolução de carga e descarga do módulo de baterias correspondente BM. A unidade computorizada R desenvolve um sinal de comando ST, o qual é retransmitido para o comutador 22 ou para o díodo 24. 0 comutador 22 pode ser concebido como um comutador de semicondutor. Em alternativa ou adicionalmente pode ser previsto um díodo ligável 24, para desligar electricamente o módulo de baterias do correspondente cabo condutor de carregamento 20 e assim, da calha de carregamento 18 ou para o ligar electricamente a estes elementos. De acordo com os circuitos electrónicos modulares representados na Fig. 3, a unidade computorizada R fica, assim, responsável, de acordo com o estado de carga do módulo de baterias correspondente BM, por ligar este à calha de carregamento 18 e para o desligar da mesma. O início de um ciclo de carregamento normal, quer dizer, que, por exemplo, o submarino navega à superfície e o gerador G accionado pelo motor diesel está a funcionar, os circuitos electrónicos modulares podem, através dos dados 28, informado da existência de uma automação 20 ΕΡ 1 641 066/ΡΤ prioritária. Em alternativa os circuitos electrónicos modulares ME também pode supervisionar a calha de carregamento 18, desde que exista uma tensão de carregamento, activar o procedimento de carregamento para o módulo de baterias correspondente BM, desde que o módulo de baterias tenha que ser carregado, o que pode ser verificado pelos dados modulares 26.

Além disso, a unidade computorizada R também está prevista para gerar um sinal de alarme A no caso de eventuais anomalias no módulo de baterias BM, cujo sinal de alarme é conduzido para uma saida de dados 30. Podem ser igualmente transmitidos também para a saida de dados, os dados da recolha de dados D, bem como da unidade de memória S e através da saida de dados, por exemplo, transmitidos para uma automação prioritária, como seja um dispositivo central de comando ou também para os circuitos electrónicos modulares ME de outros módulos de baterias BM, para indicar eventuais anomalias e/ou para reagir automaticamente aos mesmos.

Além disso, os circuitos electrónicos modulares ME apresentam também uma alimentação de tensão 32, a qual é alimentada com a energia eléctrica necessária do próprio módulo de bateria correspondente BM. 21

ΕΡ 1 641 06 6/PT

Lista de símbolos de referência 2, 4 Condutores eléctricos 6, 8, 10, 12 Comutadores 14 Transformador da rede de bordo 16 Ligações para os consumidores de corrente continua 17 Sistema de bloqueio 18 Linha de carga 20 Cabo condutor de carregamento 22 Comutador 24 Díodo 25 Comutador de emergência 26 Dados modulares 28 Dados 30 Saída de dados 32 Alimentação de tensão BM Módulo de baterias M Motor G Gerador AIP Alimentação de energia independente do ar exterior ME Electrónica modular D Recolha de dados S Unidade de memória R Unidade computorizada ST Sinal de comando A Sinal de alarme

Lisboa, 2010-09-13

Claims

ΕΡ 1 641 066/ΡΤ 1/3 REIVINDICAÇÕES 1 - Instalação de baterias para um submarino com, pelo menos, dois módulos de baterias (BM), os quais têm, respectivamente, a tensão da rede de bordo do submarino e estão ligados, respectivamente, por meio de um comutador (8) à rede de bordo do submarino, o qual permite que o módulo de baterias correspondente (BM) seja ligado e desligado da rede de bordo, em que está prevista uma unidade de comando, a qual comanda os comutadores (8) dos módulos de baterias correspondentes (BM) e acciona os mesmos de modo que só pode estar ligado à rede de bordo um número máximo de módulos de baterias (BM) que não pode ultrapassar uma corrente de curto-circuito máxima predeterminada na rede de bordo e está concebida de modo a ligar e a desligar alternadamente à rede de bordo os módulos individuais de baterias (BM), de tal modo que os módulos de baterias (BM) são descarregados de maneira uniforme e as diferenças de tensão entre os módulos individuais de baterias (BM) não ultrapassam um valor limite predeterminado.
2 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 1, na qual, pelo menos, dois comutadores (8) estão concebidos ou podem ser comandados, de tal modo que está previsto um bloqueio (17), o qual provoca, quando um comutador (8) está fechado, pelo menos, que um outro comutador (8) não possa estar fechado ou não possa estar fechado de modo permanente.
3 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 1 ou 2, na qual a unidade de comando está concebida de tal modo que a mesma activa os comutadores (8) de uma maneira que, quando um módulo de baterias (BM) é desligado e é simultaneamente ligado um outro módulo de baterias (BM) à rede de bordo, ambos os módulos de baterias (BM) ficam ligados durante um espaço de tempo curto à rede de bordo.
4 - Instalação de baterias de acordo com uma das reivindicações anteriores, na qual os módulos de baterias (BM) compreendem baterias de litio. ΕΡ 1 641 066/ΡΤ 2/3
5 - Instalação de baterias de acordo com uma das reivindicações anteriores, na qual cada módulo de baterias (BM) está ligado a uma instalação de carga (G) do submarino, por meio de um cabo condutor de carregamento (20) adicional.
6 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 5, na qual está disposto um díodo (24) no cabo condutor de carregamento (20) de cada módulo de baterias (BM) .
7 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 5, na qual cada módulo de baterias (BM) está ligado ao cabo condutor de carregamento (26) de modo comutável por meio de um comutador de semicondutor (22).
8 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 7, na qual cada módulo de baterias (BM) compreende circuitos electrónicos modulares (ME), os quais detectam, pelo menos, um valor característico (26) do módulo de baterias correspondente (BM).
9 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 7 e 8, na qual os circuitos electrónicos modulares (ME) são concebidos de tal modo que os mesmos comutam o comutador de semicondutor (22) na dependência do valor característico detectado (26), a fim de ligar electricamente o módulo de baterias (BM) ao cabo condutor de carregamento (20) e desligar o mesmo deste.
10 - Instalação de baterias de acordo com a reivindicação 9, na qual o accionamento do comutador de semicondutor (22) para desligar do módulo de baterias (BM) do cabo condutor de carregamento (20), é efectuado por meio de um comando de comutação de um dispositivo central de comando da instalação de baterias ou por meio da alteração ou comutação da corrente de carregamento da instalação de carga (G) .
11 - Instalação de baterias de acordo com uma das reivindicações 7 a 10, na qual está previsto um comutador de emergência adicional para ligar cada módulo de baterias (BM) ao cabo condutor de carregamento (20). ΕΡ 1 641 06 6/PT 3/3
12 - Processo para comando de uma instalação de baterias para um submarino, de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual a instalação de baterias compreende, pelo menos, dois módulos de baterias individuais (BM), os quais têm, respectivamente, a mesma tensão da rede de bordo do submarino e para descarregar os módulos de baterias (BM), de um modo alternado, é sempre ligado um tal número de módulos de baterias (BM) à rede de bordo, que não pode ser ultrapassada uma corrente de curto-circuito máxima predeterminada na rede de bordo, em que os módulos de baterias (BM) são ligados alternadamente à rede de bordo e descarregados, de um modo tal que é conseguida uma descarga uniforme de todos os módulos de baterias.
13 - Processo de acordo com a reivindicação 12, no qual todos os módulos de baterias (BM) são carregados simultaneamente.
14 - Processo de acordo com a reivindicação 12 ou 13, no qual o estado de carga de cada módulo de baterias individual (BM) é controlado e o procedimento de carga dos módulos de baterias individuais (BM) tem, respectivamente, inicio ou termina independentemente dos outros módulos de baterias (BM) .
15 - Processo de acordo com a reivindicação 14, no qual os módulos de baterias (BM) são ligados, respectivamente, ao cabo condutor de carregamento (20), respectivamente, por meio de um comutador (22), de preferência, um comutador de semicondutor e os comutadores (22) para inicio do procedimento de carga são, respectivamente, fechados, a fim de ligarem electricamente o módulo de baterias correspondente (BM) ao cabo condutor de carregamento (20), em que após se atingir a carga completa de um módulo de baterias (BM) o correspondente comutador (22) é bloqueado, ficando impedido de repetir a ligação. Lisboa, 2010-09-13