BRPI0318014B1 - dispositivo e processo para a determinação da carga disponível em um acumulador de energia - Google Patents

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Abstract

"processo e dispositivo para determinação da carga disponível de um acumulador de energia". a presente invenção refere-se a um dispositivo para a determinação da carga disponível de um acumulador de energia, especialmente uma bateria, até um final de descarga pré-dado. uma previsão de descarga especialmente precisa pode ser alcançada quando é empregado um modelo de acumulador de energia matemático, que representa matematicamente as propriedades elétricas do acumulador de energia, e com auxílio do qual um previsor de carga (2), que calcula a carga disponível no acumulador de energia com uma curva de corrente de descarga pré-dada (i~ batt,entl~), sendo que o previsor de carga (2) está ligado com um avaliador de grandeza de estado e parâmetro (1), que determina a partir de grandezas operacionais reais (u~ batt~, i~ batt~, t~ batt~) do acumulador de energia grandezas de estado e/ou parâmetros para o modelo de acumulador de energia matemático.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO E PROCESSO PARA A DETERMINAÇÃO DA CARGA DISPONÍVEL EM UM ACUMULADOR DE ENERGIA". [001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para a determinação da carga disponível em um acumulador de energia, até um final de descarga pré-estabelecido, bem como a um correspondente processo. [002] Em acumuladores de energia elétricos, como por exemplo, baterias, a carga realmente disponível é uma grandeza importante, pois é expressão da reserva de energia ainda disponível até que fique aquém de uma capacidade mínima transportada pelo armazenador de energia. Precisamente na área da técnica automobilística, uma exata previsão da carga disponível é mais decisiva do que o conhecimento do estado de carga real da bateria, definida através da concentração média de ácido no acumulador de chumbo, pois este fornece apenas uma informação sobre a carga plena relativamente à carga já retirada, mas não sobre a quantidade de carga ainda disponível. [003] A carga total ainda disponível determina diretamente a disponibilidade dos consumidores elétricos conectados ao acumulador de energia. O conhecimento da carga disponível pode, além disso, ser usado para medidas de técnica de controle ou de regulagem, como por exemplo, para um gerenciamento de energia em um veículo. Assim é possível, por exemplo, em tempo oportuno, antes do atingimento de uma reserva de carga mínima, tomar medidas redutoras do consumo, como por exemplo, o desligamento ou redução de consumidores menos importantes. [004] Da EP-0376967 B1 já é conhecido determinar a carga disponível de um acumulador de energia. A carga disponível é então avaliada através de campos de linhas características empiricamente determinados, que estão depositados em uma unidade de computador, em função de uma corrente de descarga constante, da temperatura da bateria e de sintomas de envelhecimento, com base na fórmula de Peukert. Assim, de fato é possível determinar a carga disponível até um final de descarga, que é caracterizado pela descarga completa do acumulador de energia; mas não é possível determinar a carga disponível até ficar aquém de uma tensão mínima de bornes pré-estabelecida ou até ficar aquém de uma capacidade mínima do acumulador de energia. Além disso, a determinação da carga disponível com base na fórmula de Peukert é relativamente imprecisa, pois diversos efeitos, que influenciam o estado do final de descarga, como por exemplo, uma perda de massa ativa nos eletrodos por envelhecimento da bateria ou a formação de gelo nos eletrodos a baixas temperaturas, não são levados em consideração. [005] Por isso, constitui objetivo da presente invenção prover um dispositivo bem como um processo para determinação da carga disponível de um acumulador de energia, que possibilite uma determinação bem precisa da carga disponível até um critério de final de descarga pré-estabelecido. [006] A idéia essencial da invenção reside em prover um previsor de carga, isto é, um dispositivo para cálculo da carga disponível, que calcula a carga disponível do acumulador de energia sob consideração de uma curva de corrente de descarga pré-estabelecida e curva de temperatura com auxílio de um modelo matemático de acumulador de energia. O modelo de acumulador de energia é então um modelo matemático, que apresenta as propriedades elétricas do acumulador de energia, decorrentes de diversos efeitos físicos, com base em diversos modelos matemáticos. Os modelos matemáticos descrevem correlações funcionais entre grandezas de estado, como por exemplo, tensões, correntes, temperatura, etc., e abrangem diversos parâmetros. [007] O cálculo de carga realizado pelo previsor de carga é feito a partir do estado real do acumulador de energia. Os modelos matemáticos depositados no previsor de carga são, portanto primeiramente ini-cializados no estado operacional real do acumulador de energia. Para tanto está previsto um avaliador de parâmetros e de grandezas de estado, que determina, a partir das grandezas operacionais atuais, como por exemplo, da tensão, da corrente e da temperatura do acumulador de energia, as grandezas de estado e eventualmente também parâmetros do modelo de acumulador de energia. Para aquelas grandezas de estado do acumulador de energia, que não podem ser diretamente medidas durante a operação, pode, por exemplo, ser empregado um conhecido filtro Kalman como avaliador de parâmetros e de grandezas de estado. Partindo desse estado de inicialização, o previsor de carga calcula então a carga disponível do acumulador de energia até um final de descarga pré-estabelecido, isto é, até um ou vários critérios de final de descarga pré-estabelecidos, que serão minuciosamente explicados ainda a seguir. [008] O modelo de acumulador de energia abrange, no caso de uma bateria, ao menos um modelo para a resistência interna R, da batería, uma resistência de difusão de ácido Rk e uma polarização de passagem Up. [009] O avaliador de estado e parâmetro determina como grandezas de estado Z ao menos uma tensão de repouso UCo da bateria e uma polarização de concentração UK. Na medida em que a capacidade da bateria e, portanto, também a capacidade de ácido C0 da bateria empregada é desconhecida, também estas devem ser calculadas. Para tanto, o avaliador de parâmetro e de grandeza de estado determina de preferência ao menos os parâmetros R102525, Ue,grenz, Rko25, UDo25 e C0. Esses parâmetros serão ainda minuciosamente explicados a seguir. [0010] O critério de final de descarga, até ao qual a carga disponí- vel é calculada, pode ser, por exemplo, o atingimento ou não atingi-mento de uma tensão de eletrólito mínima Uekrit pré-estabelecida, de uma tensão de borne mínima UBattmin ou o atingimento de uma capacidade mínima ULastmin pré-estabelecida. Segundo uma forma de execução preferida da invenção, é calculada a carga disponível até ao atingimento ou não atingimento de ao menos dois, de preferência de todos os três, critérios de final de descarga mencionados. [0011] O critério de final de descarga da tensão de eletrólito mínima Uekrit é satisfeito quando a tensão de eletrólito Ue cai aquém da tensão de eletrólito mínima Uekrit pré-estabelecida. A tensão de eletrólito Uekrit pré-estabelecida considera então de preferência a perda de massa ativa por envelhecimento da bateria e/ou a formação de gelo nos eletrodos a baixas temperaturas. [0012] O critério de final de descarga da tensão de borne mínima UBattmin é satisfeito quando a tensão de borne UBatt cai aquém da tensão de borne mínima UBattmin pré-estabelecida. [0013] O critério da capacidade mínima é então alcançado quando uma tensão de rede, como por exemplo, a tensão em uma carga suprida pelo acumulador de energia, cai aquém de um valor limiar pré-estabelecido, quando o acumulador de energia é carregado com a carga por um período de tempo pré-estabelecido. Para verificar se a tensão de carga com uma curva de corrente de carga pré-estabelecida cairia aquém de um valor limiar pré-estabelecido, é provido um previ-sor de tensão, que determina a tensão de carga correspondente em função da curva de corrente de carga. Em um automóvel pode assim ser determinada quanta carga ainda está disponível na bateria do automóvel com uma curva de temperatura de bateria e corrente de descarga pré-estabelecida, até que ainda reste apenas tanta carga que a tensão de rede em uma carga a ser ligada, com curva de corrente de carga pré-estabelecida, não caia aquém de um valor limiar pré- estabelecido. No caso de uma rede a bordo de automóvel isso é, sobretudo necessário para evitar que não mais carga seja tomada da batería, como por exemplo, requerida para uma nova operação de partida. [0014] Opcionalmente também podem ser definidos outros critérios de final de descarga. [0015] A determinação da carga disponível no acumulador de energia é repetida a intervalos temporais pré-estabelecidos pelo previ-sor de carga, sendo que são considerados respectivamente valores reais para a corrente de descarga ÍBatt,enti e a temperatura de acumulador de energia TBatt,enti· De preferência, o previsor de carga também está em condições de determinar o tempo até ao atingimento do critério de final de descarga pré-estabelecido. [0016] O avaliador de estado e de parâmetro trabalha de preferência com base no mesmo modelo de acumulador de energia que o previsor de carga. [0017] A invenção será a seguir pormenorizadamente explicada a título de exemplo com auxílio dos desenhos em apenso. Mostram: [0018] Figura 1 - uma representação esquemática de um dispositivo para determinação da carga disponível em uma bateria, com um previsor de carga e um previsor de tensão; [0019] Figura 2 - um esquema de ligação de blocos substitutivo para um acumulador de chumbo; [0020] Figura 3a - um fluxograma para representação das etapas de processo essenciais quando do cálculo da carga disponível por um previsor de carga; [0021] Figuras 3b, c - um fluxograma para representação da verificação de diversos critérios de final de descarga; [0022] Figura 3d - um fluxograma para representação das etapas de processo essenciais quando do cálculo de uma tensão de bateria mínima por um previsor de tensão; e [0023] Figura 4 - uma representação da dependência da tensão de eletrólito de diversos efeitos físicos. 1. Dispositivo para determinação da carga disponível [0024] A figura 1 mostra um esquema de ligação de blocos de um dispositivo para cálculo da carga disponível em uma batería» especialmente uma bate ri a de veículo. Este abrange um avaliador de parâmetro e de grandeza de estado 1, um previsor de carga 2 e um previsor de tensão 3. O dispositivo está em condições de calcular a carga disponível na batería (não mostrada), a partir de um estado de bateria real UBatt, lBalt5 TBatl e de uma curva de corrente de descarga pré-estabelecida lBati,enti até ao atingí mento de um final de descarga pré-estabelecido. A curva de corrente de descarga lBatl,enti pode então ser uma curva de corrente pré-estabelecída qualquer desejada ou uma corrente constante (lBatt)‘ [0025] O previsor de carga 2 e o previsor de tensão 3 abrangem um modelo de batería matemático, que descreve as propriedades elétricas da bateria do veículo. Com conhecimento das grandezas operacionais reais da bateria, ou seja, da tensão de bateria real UBa„» da corrente de bateria real lBalt e da temperatura de bateria real TBatt, bem como sob consideração de uma curva de corrente de descarga pré-estabelecida lBatt,enti e de uma curva de temperatura pré-estabelecida TBatt.enti, pode assim ser calculada a carga disponível na bateria Ge.lW, Qe, Ueaitmin, Qe» ULastmin até ao atingí mento de três critérios de final de carga distintos (que estão conjunt iva mente ligados no presente exemplo). A curva de corrente de descarga lBati,enti e a curva de temperatura TWentidurante a descarga podem ser pré-estabelecidas por um aparelho de controle (não mostrado) ou determinadas das grandezas operacionais reais da bateria UBalt, lBalt, TBatt. [0026] O previsor de carga 2 e o previsor de tensão 3 abrangem um modelo de bateria matemático, que descreve matematicamente as propriedades elétricas da bateria de veículo e que se baseia no esquema de ligação de blocos substitutivo para um acumulador de chumbo mostrado na figura 2, 2. Esauema de ligação de blocos substitutivo de um acumulador de chumbo [0027] A figura 2 mostra o esquema de ligação de blocos de um acumulador de chumbo. A direção de contagem da corrente de bateria lBats foi selecionada como usual mente positivo para carga e negativo para descarga. As distintas grandezas de estado e componentes são como se segue, da esquerda para a direita; Rí{Ücoi Ue> TBatt) resistência ôhmica interna, dependente da tensão de repouso UCq, da tensão de eletrólito Ue e da temperatura de ácido TBatt queda de tensão ôhmica capacidade de ácido tensão de repouso resistência de difusão de ácido, dependente da tensão de repouso Uco (grau de descarga) e da temperatura de ácido TBat, constante de tempo da difusão de ácido (é considerada como constante na ordem de grandeza de 10 min) polarização de concentração tensão de eletrólito diferença de tensão entre a tensão de borne e a tensão de eletrólito Ue, independente da tensão de eletrólito Ue e da temperatura de ácido Teatl polarização de passagem estacionária, dependente da corrente de bateria ΙΒ3« e da temperatura de ácido TBatt UBatt tensão de borne da bateria [0028] As grandezas únicas tomadas por diferentes efeitos físicos da bateria, que serão explicadas a seguir: [0029] A tensão URi é a queda de tensão ôhmica na resistência interna R, da bateria, que por sua vez depende da tensão de repouso Uco, da tensão de eletrólito Ue e da temperatura de ácido TBatt- [0030] A tensão de repouso UCo é proporcional à concentração de ácido média na bateria e é igual à tensão de borne da bateria, quando a concentração de ácido após uma fase de pausa da bateria for sempre da mesma magnitude. [0031] A polarização de concentração UK considera o desvio da concentração de ácido no local de reação, isto é, nos eletrodos, do valor médio na bateria. Quando da descarga da bateria, a mínima concentração de ácido nos poros dos eletrodos, pois o ácido é ali consumido, e novo ácido só pode partir do eletrólito. [0032] A tensão de eletrólito Ue considera a divergência da tensão de repouso UCo pela polarização de concentração em função da concentração de ácido no local de reação. Tem-se então Ue = UCo + UK. [0033] O termo AUNernst(Ue,TBatt) descreve a diferença entre o potencial de eletrodo e a tensão de eletrólito, que por sua vez é dependente da concentração de ácido local no local de reação e da temperatura de ácido TBatt- [0034] A polarização de passagem estacionária UD (lBatt, TBatt) considera uma resistência de transição elétrica entre um primeiro eletrodo da bateria e o eletrólito e entre o eletrólito e o segundo eletrodo da bateria e por sua vez é dependente da corrente de bateria lBatt e da temperatura de ácido TBatt. [0035] A difusão do ácido do eletrólito para o local de reação, isto é, para os eletrodos, durante a descarga, é descrita pela resistência de difusão de ácido Rk(UCo,TBatt)> que por sua vez é dependente da tensão de repouso UCo e da temperatura de ácido T8att· 3. O modelo de acumulador de energia matemático [0036] O modelo de acumulador de energia matemático abrange vários modelos, que descrevem a resistência interna ôhmica da batería Rí{Uco» Ue, TBatt), a resistência de difusão de ácido Rk (Uco, T83tt). a diferença de tensão Δ UNernst(Ue,TBau)entre o potencial de eletrodo e a tensão de eletrólito e a polarização de passagem estacionária UD (lBats,TBats). Opcional mente, também podem ser considerados mais ou menos modelos matemáticos. Para as distintas grandezas a seguir especificadas podem ser aplicados também outros modelos matemáticos. 3.1. Resistência interna ôhmica: com Aí significam: Río25 resistência interna ôhmica com plena carga e T8att = 25Ό TKLfakt coeficiente de temperatura do valor de condução da bateria Rj,fakt parâmetro de campo característico Uçoma* máxima tensão de repouso da bateria plenamente carregada Ue,grenz tensão de eletrólito com final de descarga (em função de envelhecimento) 3.2 Resistência de difusão de ácido [0037] Para aproximação da resistência de difusão de ácido Rk pode ser aplicado por exemplo o seguinte modelo: com θ R 1(025 resistência interna ôhmica com plena carga e ΤΒ3« = 25Ό Erk0 energia de ativação Rk.fakti, Rk,fakt2. Rkífakis coeficiente polinômio 3.3 Diferença de tensão ALIhi^t entre o potencial de eletrodo e a tensão de eletrólito U» [0038] Para a diferença de tensão entre o potencial de eletrodo e a tensão de eletrólito pode ser aplicado por exemplo o seguinte modelo: com alfa, beta U ekn pa rã met ro d e I i n ha ca racte rí sti ca TKyoo coeficiente de temperatura do potencial de eletrodo 3.4. Polarização de passagem estacionária [0039] Para polarização de passagem estacionária UD pode ser aplicado o seguinte modelo: com U do25 tensão de passage m e staci o n á ri a com I Bm= e * ID0 6 TBait=25<C

Claims (10)

1. Dispositivo para a determinação da carga (Qe) disponível em um acumulador de energia, até um final de descarga pré-estabelecido, caracterizado por, - um previsor de carga (2), que calcula a carga (Qe) disponível no acumulador de energia com uma curva de corrente de descarga pré-estabelecida (ÍBatt,enti) com base em um modelo de acumulador de energia matemático, que representa matematicamente as propriedades elétricas do acumulador de energia, e - um avaliador de grandeza de estado e de parâmetro (1), que determina a partir de grandezas operacionais reais (UBatt, leatt. Tb*) do acumulador de energia grandezas de estado (Z) e/ou parâmetros (P) para o modelo de acumulador de energia matemático.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o modelo de acumulador de energia é um modelo de bateria, que abrange ao menos um modelo matemático para a resistência interna (R,), uma resistência de difusão de ácido (Rk) e uma polarização de passagem (UD).
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o avaliador de grandeza de estado e de parâmetro (1) determina como grandezas de estado (Z) ao menos uma tensão de repouso (UCo) e uma polarização de concentração (UK).
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o avaliador de grandeza de estado e parâmetro (1) determina ainda uma polarização de passagem (UD).
5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o previsor de carga (2) determina a carga disponível (Qe) até o atingimento de uma tensão de eletrólito (Uemin) mínima pré-estabelecida, que representa um primeiro critério de final de descarga.
6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o previsor de carga (2) determina a carga disponível (Qe) até ao atingimento de uma tensão mínima (UBattmin) do acumulador de energia, que representa um segundo critério de final de descarga.
7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o previsor de carga (2) determina a carga disponível (Qe) até o atingimento de uma capacidade mínima (ULastmin) pré-estabelecida, que representa um terceiro critério de final de descarga.
8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende um previsor de tensão, ao qual pode ser pré-estabelecida uma curva de corrente de carga (lLast) e que determina em função da corrente de carga (li_ast) uma correspondente tensão de carga (ULast), que se ajustaria em virtude da curva de corrente de carga (lLast) pré-estabelecida.
9. Processo para a determinação da carga (Qe) disponível em um acumulador de energia, especialmente uma bateria, até um final de descarga pré-estabelecido, caracterizado pelas seguintes etapas: - cálculo da carga (Qe) disponível no acumulador de energia com uma curva de corrente de descarga pré-estabelecida (ÍBatt,enti) com auxílio de um previsor de carga (2) com base em um modelo de acumulador de energia matemático, que representa matematicamente as propriedades elétricas do acumulador de energia, e - determinação de grandezas de estado (Z) e/ou parâmetros (P) para o modelo de acumulador de energia matemático a partir de grandezas operacionais reais (UBatt, Ιβ3η, TBatt) do acumulador de energia com auxílio de um avaliador de grandeza de estado e de parâmetro (1).
10.Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o previsor de carga (2) calcula uma carga (Qe) disponível até ao atingimento de uma capacidade mínima (ULastmin) pré-estabelecida, sendo que é considerada uma tensão de carga (ULast), que é aduzida ao previsor de carga (2) por um previsor de tensão (1), que determina a tensão de carga (ULast) em função de uma curva de corrente de carga (lLast) pré-estabelecida.
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