Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “SISTEMA E MÉTODO PARA OTIMIZAR A ENTREGA DE ENERGIA ELÉTRICA DURANTE O CARREGAMENTO DE UM ELEMENTO DE ARMAZENAMENTO”

[0001] A presente invenção refere-se a um método para otimizar a entrega de energia elétrica durante o carregamento de um elemento de armazenamento. A presente invenção refere-se ainda a um sistema otimizador de alimentação de energia, configurado para otimizar a entrega de energia elétrica durante o carregamento de um elemento de armazenamento.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] Diversos sistemas de captação ou colheita de energia sem fio são conhecidos no estado da técnica. Tais sistemas visam captar e converter ondas eletromagnéticas em energia armazenável.

[0003] A energia captada das ondas eletromagnéticas é usualmente tratada por meio de circuitos específicos como, por exemplo, retificadores e então a energia já retificada é armazenada em uma carga qualquer para posterior uso.

[0004] Contudo, a maioria dos circuitos já conhecidos do estado da técnica operam de forma a captar a energia proveniente das ondas eletromagnéticas, retificá-las e já então armazená-las em uma carga, sem antes tratar ou otimizar tal armazenamento.

[0005] Isto resulta em um carregamento instável, uma vez que a tensão/corrente proveniente das ondas eletromagnéticas varia de acordo com o tempo e de acordo com o posicionamento da antena receptora do sistema de captação em relação à fonte transmissora de ondas eletromagnéticas.

[0006] Assumindo que a carga a ser carregada é uma bateria, o cenário acima gera situações indesejáveis como o carregamento instável da bateria, com baixa eficiência e com pouco aproveitamento da energia total proveniente das ondas eletromagnéticas.

[0007] Ademais, ainda que sistemas de colheita de energia sem fio já sejam conhecidos do estado da técnica, poucos sistemas operam de forma otimizada na captação de ondas eletromagnéticas na região de near-field. Isto porque, esta região de near-field possui características físicas ainda não totalmente estudadas, de modo que a operação de transmissão e/ou captação nesta região não é totalmente explorada.

[0008] De toda forma, ainda que não seja a opção mais estável, alguns sistemas buscam captar ondas eletromagnéticas nesta região de near-field, visando obter o máximo de energia possível das ondas captadas.

[0009] A presente invenção provê um sistema que é configurado para possibilitar o aproveitamento máximo da energia proveniente das ondas eletromagnéticas captadas por uma antena de recepção. Especificamente, caso tal antena opere associada a um sistema na captação de ondas eletromagnéticas na região de near-field, a presente invenção possibilitará a melhor eficiência no carregamento de uma carga qualquer após a conversão da energia captada em energia armazenável.

[0010] Sendo assim, não se observa no estado da técnica um sistema nem um método destinado a otimizar o carregamento de uma carga qualquer, buscando aproveitar o máximo de energia disponível de ondas eletromagnéticas captadas por meio de um sistema de captação/colheita de energia sem fio.

Objetivos da Invenção

[0011] Um primeiro objeto da presente invenção reside na provisão de um método para otimizar a entrega de energia elétrica, captada por um sistema de colheita sem fio, durante o carregamento de um elemento de armazenamento.

[0012] Um objetivo adicional da presente invenção reside na provisão de um sistema especialmente configurado para otimizar a entrega de energia elétrica, captada por um sistema de colheita de energia sem fio, para o carregamento de um elemento de armazenamento.

Breve Descrição da Invenção

[0013] Os objetivos da presente invenção são alcançados por meio de um método para otimizar a entrega de energia elétrica durante o carregamento de um elemento de armazenamento, o método sendo caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:

(a) estabilizar uma conexão de referência de tensão REF de um módulo de controle em 1 ,8 Volts através de um módulo conversor buck de estabilização, permitindo que o módulo de controle determine valores de tensão sem desvios;

(b) determinar, por meio de uma conexão de conversão analógico-digital ADC do módulo de controle, um valor máximo da tensão de uma onda eletromagnética captada porão menos uma antena de recepção;

(c) registrar a metade do valor de tensão máximo determinado no item (b);

(d) modular um sinal de uma conexão de modulação PWM do módulo de controle em função da tensão determinada no item (b) e enviar dito sinal modulado para ao menos um entre um módulo conversor boost de carregamento e um módulo conversor buck de carregamento;

(e) acompanhar o valor da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção até que atinja o valor registrado na etapa (b);

(f) uma vez que o valor da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção atinja o valor registrado na etapa (b), fixar o valor do sinal modulado da conexão PWM do módulo de controle; (g) carregar o elemento de armazenamento por meio da operação elétrica do módulo conversor boost de carregamento, tal módulo conversor boost de carregamento sendo operado através do sinal modulado de valor fixado na etapa (f) e enviado na etapa (d);

(h) continuar registrando os valores de tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção até que o valor máximo de tensão seja maior do que o valor previamente determinado na etapa (b); e

(i) caso o valor máximo da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção seja maior do que o valor determinado na etapa (b), reduzir a tensão de carregamento do elemento de armazenamento para o valor da etapa (g), através do módulo conversor buck de carregamento; e

[0014] (j) repetir as etapas a partir da etapa (c) a fim de determinar um novo valor ótimo para o carregamento do elemento de armazenamento através da operação elétrica do módulo conversor boost de carregamento.

[0015] Os objetivos da presente invenção são também alcançados por meio de um sistema para otimizar a entrega de energia elétrica durante o carregamento de um elemento de armazenamento, o sistema sendo caracterizado pelo fato de que compreende: ao menos uma antena de recepção, um módulo conversor buck de estabilização, um módulo conversor boost de carregamento, um módulo conversor buck de carregamento, um módulo de controle e um elemento de armazenamento.

Descrição Resumida dos Desenhos

[0016] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0017] Figura 1 - ilustra uma realização preferencial do sistema objeto da presente invenção;

[0018] Figura 2 - ilustra uma realização alternativa do sistema objeto da presente invenção, em que um módulo de chaveamento eletrônico está compreendido no sistema.

[0019] Figura 3 - ilustra uma possível realização física do sistema objeto da presente invenção.

[0020] Figura - ilustra uma possível realização física do módulo de chaveamento eletrônico da presente invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

[0021] Em sistemas de colheita de energia sem fio, é usual encontrar um circuito entre a saída de sinal retificado do sistema e a entrada da bateria na qual a energia será armazenada. Tal interface é configurada para permitir que a energia coletada pelo sistema seja armazenada de forma eficiente na bateria.

[0022] A presente invenção provê um sistema otimizador especialmente configurado para otimizar a entrega de energia elétrica captada por um sistema de colheita de energia sem fio que opera captando e convertendo ondas eletromagnéticas na região de near- field, otimizando a entrega de tal energia durante o carregamento de um elemento de armazenamento o armazenamento da energia.

[0023] Como já é conhecido do estado da técnica, diversos sistemas são destinados à captação e conversão de energia eletromagnética em energia armazenável, porém poucos sistemas operam com a captação de ondas eletromagnéticas especificamente na região de near-field. Isto se dá pelo fato de que a operação em near- field é pouco dominada, uma vez que o comportamento das ondas eletromagnéticas nesta região de near-field é pouco regular.

[0024] Contudo, a presente invenção provê um sistema especialmente configurado para otimizar o armazenamento da energia elétrica captada por um sistema de captação de ondas eletromagnéticas em near-field, possibilitando o aumento da eficiência na entrega da energia captada e convertida (usualmente, energia em corrente contínua - DC) para uma carga qualquer.

[0025] Além de otimizar o armazenamento da energia captada e convertida e aumentar a eficiência de carregamento da carga do sistema, a presente invenção possui os seguintes efeitos vantajosos: [0026] Redução do efeito Joule em circuitos através do melhor casamento de impedâncias;

[0027] Redução dos efeitos de interferência causados por irradiações indesejadas; e

[0028] Aumento da performance no uso de capacitores comuns ou polarizados através do chaveamento dos pontos corretos de tensão.

[0029] O sistema otimizador 100, objeto da presente invenção, é composto basicamente por dois macro-elementos: um módulo otimizador 10 e um elemento de armazenamento 20. As figuras 1 e 2 ilustram duas possíveis realizações da presente invenção.

[0030] Especificamente, a figura 1 ilustra um sistema otimizador 100 composto por um módulo otimizador 10 e um elemento de armazenamento 20, em que o módulo otimizador 10 compreende um módulo conversor buck de estabilização 11 , um módulo conversor boost de carregamento 12, um módulo conversor buck de carregamento 13 e um módulo de controle 14.

[0031] O elemento de armazenamento 20 da figura 1 deve ser entendido como qualquer elemento capaz de armazenar energia elétrica como, por exemplo, uma bateria. Contudo, tal exemplificação não deve ser entendida como uma limitação da presente invenção, de modo que qualquer elemento capaz de armazenar energia elétrica pode ser utilizado.

[0032] A figura 2 ilustra uma realização adicional do sistema otimizador 100 objeto da presente invenção. O sistema da figura 2 compreende um módulo otimizador 10 e um elemento de armazenamento 20, em que o módulo otimizador 10 compreende, além do módulo conversor buck de estabilização 11 , do módulo conversor boost de carregamento 12, do módulo conversor buck de carregamento 13 e do módulo de controle, um módulo de chaveamento eletrônico 15. [0033] O elemento de armazenamento 20 da figura 2 deve ser entendido como qualquer elemento capaz de armazenar energia elétrica como, por exemplo, uma bateria. Contudo, tal exemplificação não deve ser entendida como uma limitação da presente invenção, de modo que qualquer elemento capaz de armazenar energia elétrica pode ser utilizado.

[0034] As realizações preferenciais da presente invenção, ilustradas nas figuras, são destinadas a serem utilizadas em conjunto com um sistema de captação e conversão de ondas eletromagnéticas na região de near-field. Contudo, ainda que tal sistema de captação e conversão de ondas eletromagnéticas não esteja ilustrado nas figuras, deve ser entendido que pelo menos um sistema que possibilite a captação e conversão de ondas eletromagnéticas em near-field esteja presente. Isto é, deve ser entendido que ao menos uma antena de recepção 30 esteja presente.

[0035] Em referência ao sistema otimizador 100 ilustrado na figura 1 , o módulo conversor buck de estabilização 11 é configurado para gerar uma tensão estável de 1 ,8 Volts em sua saída. Tal configuração promove duas situações:

[0036] Redução da alimentação do módulo de controle 14, reduzindo assim o consumo de energia; e

[0037] Estabilização da referência de tensão REF e melhora da qualidade das medições feitas pelo módulo de controle 14.

[0038] As operações do módulo de controle 14 serão melhores especificadas mais a diante. [0039] Ainda em relação ao sistema otimizador 100 da figura 1 , os módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13 são configurados para regularem a tensão fornecida ao elemento de carregamento 20 em função da tensão recebida da antena de recepção 30.

[0040] Conforme mencionado anteriormente, a presente invenção é destinada a operar em conjunto com um sistema de captação e conversão de ondas eletromagnéticas em near-field. Tais sistemas, como já conhecido do estado da técnica, compreendem ao menos uma antena receptora configurada para captar as ondas eletromagnéticas do espaço livre.

[0041] Nesse cenário, as ondas captadas pela antena são posteriormente tratadas por circuitos específicos como, por exemplo, circuitos retificadores, o que permite que a energia elétrica então obtida possa ser armazenada em um elemento de armazenamento como, por exemplo, uma bateria.

[0042] Assim, os módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13 são configurados para elevar ou reduzir a tensão fornecida ao elemento de carregamento 20, dependendo da tensão proveniente da captação das ondas eletromagnéticas e de sua posterior conversão/retificação em tensão/corrente contínua - DC (direct current). Em vista disso, deve-se entender que a antena de recepção 30, responsável pela captação das ondas eletromagnéticas na região de near-field, está eletricamente conectada a ao menos um entre os módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13.

[0043] Adicionalmente, a expressão “tensão das ondas eletromagnéticas captadas pela antena” utilizada ao longo deste texto deve ser entendida como a tensão das ondas inicialmente captadas pela antena e posteriormente tratadas. Isto é, deve ser entendido que a expressão “tensão das ondas eletromagnéticas captadas pela antena” refere-se à tensão das ondas eletromagnéticas já retificadas em tensão/corrente contínua.

[0044] De forma mais específica, o módulo conversor boost de carregamento 12 é configurado para elevar a tensão fornecida ao elemento de carregamento 20 quando a tensão captada pela antena de recepção 30 for menor do que a tensão definida para o carregamento do elemento de armazenamento 20.

[0045] Já o módulo conversor boost de carregamento 13 é configurado para reduzir a tensão fornecida ao elemento de carregamento 20 quando a tensão captada pela antena de recepção 30 for menor do que a tensão definida para o carregamento do elemento de armazenamento 20.

[0046] A expressão “tensão definida para o carregamento do elemento de armazenamento 20” refere-se à tensão ótima de carregamento determinada pelo módulo de controle 14. Dito módulo de controle é composto por pelo menos um microcontrolador que compreende, dentre outras, uma conexão de conversão analógico- digital ADC (Analogic Digital Converter), uma conexão de modulação PWM (Pulse Width Modulation) e uma conexão de referência de tensão REF. Contudo, tal realização não deve ter entendida como uma limitação da presente invenção, sendo apenas uma realização preferencial do módulo de controle 14 da presente invenção.

[0047] O módulo conversor buck de estabilização 11 é eletricamente conectado ao módulo de controle 14 através da conexão de referência de tensão REF. Conforme mencionado anteriormente, o módulo conversor buck de estabilização 11 é configurado para estabilizar a referência de tensão REF em um valor ideal e, por conseguinte, melhorar a qualidade das medições realizadas pelo módulo de controle 14. A não estabilização desta referência de tensão REF impede uma medição precisa pelo módulo de controle 14, gerando instabilidades durante a operação do sistema otimizador 100.

[0048] Além da conexão REF, o módulo de controle 14 compreende uma conexão ADC, a qual é responsável por realizar a medição da tensão recebida da antena de recepção 30. Os módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13 são eletricamente conectados a esta conexão ADC do módulo de controle 14. Dessa forma, uma vez que a antena de recepção 30, responsável pela captação das ondas eletromagnéticas, também está eletricamente conectada aos módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13, deve ser entendido que a conexão ADC do módulo de controle 14 também está eletricamente conectada à antena de recepção 30.

[0049] Como mencionado acima, a conexão ADC do módulo de controle 14 é configurada para medir constantemente a tensão das ondas eletromagnéticas captadas pela antena de recepção 30. Inicialmente, o módulo de controle 14 isola a conexão elétrica proveniente da bateria com os módulos conversor buck 12 e boost 13 de carregamento, de modo que tensão retificada captada pela antena de recepção 30 é diretamente medida pelo módulo de controle 14. A medição é realizada até que seja detectado um valor máximo de tensão. O módulo de controle 14 define a metade deste valor máximo e registra tal valor.

[0050] Além das conexões REF e ADC, o módulo de controle possui uma conexão PWM, responsável por fornecer um sinal elétrico modulado aos módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13. Este sinal elétrico é modulado em função da tensão registrada pelo módulo de controle 14, proveniente da captação das ondas eletromagnéticas pela antena de recepção 30, e é responsável por “ativar” o carregamento da bateria pelos módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13, aumentando ou reduzindo a tensão destinada ao carregamento do elemento de armazenamento 20.

[0051] Após o módulo de controle 14 definir a metade do valor máximo de tensão das ondas eletromagnéticas captadas pela antena de recepção 30, os módulos conversor boost de carregamento 12 e conversor buck de carregamento 13 operam eletricamente em conjunto com o elemento de armazenamento 20, ao mesmo tempo em que o módulo de controle 14 continua registrando as tensões das ondas eletromagnéticas captadas pela antena de recepção 30. Ademais, o valor do sinal elétrico enviado através da conexão PWM continua sendo modulado em função das tensões registradas.

[0052] Quando a tensão de entrada, isto é, a tensão das ondas eletromagnéticas captadas pela antena de recepção 30, atinge o mesmo valor previamente registrado pelo módulo de controle 14 - valor este que representa a metade do valor de tensão máxima captada anteriormente - assume-se que há o casamento ótimo de impedância entre os módulos conversor boost de carregamento 12/conversor buck de carregamento 13 e a bateria, podendo-se concluir que a maior potência de energia disponível está sendo direcionada à bateria.

[0053] Quando este valor ótimo de carregamento é detectado, entende-se que um valor ótimo de modulação do sinal elétrico enviado através da conexão PWM do módulo de controle 14 está presente. Este sinal modulado é mantido constante, a fim de permitir o carregamento ótimo do elemento de armazenamento 20.

[0054] Enquanto o carregamento é realizado, o módulo de controle 14 continua registrando as tensões advindas da antena de recepção 30. Quando um valor de tensão maior é detectado, diferente do valor máximo registrado anteriormente, assume-se que a antena de recepção 30 sofreu um reposicionamento em relação à fonte transmissora de ondas eletromagnéticas.

[0055] Neste sentido, caso esse valor diferente seja registrado, um novo ciclo de medições é realizado. O módulo de controle 14 registra novamente a tensão máxima captada pela antena de recepção 30, calcula a metade deste valor e verifica novamente qual a modulação ideal do sinal enviado através da conexão PWM do módulo de controle 14 para o módulo conversor boost de carregamento 12 que permitirá o carregamento ótimo do elemento de armazenamento 20.

[0056] Em harmonia com o que foi descrito até o momento, a presente invenção refere-se também a um método para otimizar a entrega de energia elétrica durante o carregamento de um elemento de armazenamento 20.

[0057] O método compreende as etapas de:

(a) estabilizar uma referência de tensão REF de um módulo de controle 14 em 1 ,8 Volts através de um módulo conversor buck de estabilização 1 1 , permitindo que o módulo de controle 14 determine valores de tensão sem desvios;

(b) determinar, por meio do módulo de controle 14, um valor máximo da tensão de uma onda eletromagnética captada por uma antena de recepção 30;

(c) registrar a metade do valor de tensão máximo determinado no item (b);

(d) modular um sinal de uma conexão PWM do módulo de controle 14 em função da tensão determinada no item (b) e enviar dito sinal modulado para ao menos um entre um módulo conversor boost de carregamento 12 e um módulo conversor buck de carregamento 13;

(e) acompanhar o valor da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção 30 até que atinja o valor registrado na etapa (b);

(f) uma vez que o valor da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção 30 atinja o valor registrado na etapa (b), fixar o valor do sinal modulado da conexão PWM do módulo de controle 14;

(g) carregar o elemento de armazenamento 20 por meio da operação elétrica do módulo conversor boost de carregamento 12, tal módulo conversor boost de carregamento 12 sendo operado através do sinal modulado de valor fixado na etapa (f) e enviado na etapa (d);

(h) continuar registrando os valores de tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção 30 até que o valor máximo de tensão seja maior do que o valor previamente determinado na etapa (b);

(i) caso o valor máximo da tensão da onda eletromagnética captada pela antena de recepção 30 seja maior do que o valor determinado na etapa (b), reduzir a tensão de carregamento do elemento de armazenamento 20 para o valor da etapa (g), através do módulo conversor buck de carregamento 13; e

(j) repetir as etapas a partir da etapa (c) a fim de determinar um novo valor ótimo para o carregamento do elemento de armazenamento 20 através da operação elétrica do módulo conversor boost de carregamento 12.

[0058] Adicionalmente à realização acima descrita, a figura 2 ilustra uma realização alternativa da presente invenção, onde o módulo otimizador 10 do sistema otimizador 100 compreende, além do módulo conversor buck de estabilização 11 , do módulo conversor boost de carregamento 12, do módulo conversor buck de carregamento 13 e do módulo de controle 14, um módulo de chaveamento eletrônico 15. Ademais, o sistema otimizador 100 ilustrado na figura 2 compreende também um elemento de armazenamento 20.

[0059] Em comparação com o sistema ilustrado na figura 1 e descrito nos parágrafos acima, o sistema ilustrado na figura 2 opera de forma semelhante. Isto é, o módulo de chaveamento eletrônico 15 em conjunto com o módulo de controle 16 são configurados para determinarem a tensão máxima das ondas eletromagnéticas captadas pela antena de recepção 30, bem como determinar uma temporização específica de carregamento e descarregamento de um capacitor eletrolítico responsável por carregar o elemento de armazenamento 20. [0060] De forma vantajosa, a presença do módulo de chaveamento eletrônico 15 no sistema otimizador 100 permite que o carregamento e descarregamento do capacitor eletrolítico, responsável pelo carregamento do elemento de armazenamento 20, seja feito em um período de tempo otimizado, evitando assim que haja perda de eficiência durante o armazenamento da energia eletromagnética captada e convertida.

[0061] Dito módulo de chaveamento eletrônico 15 opera, portanto, em conjunto com os demais módulos do sistema e, neste sentido, está eletricamente conectado tanto ao módulo otimizador 10 quanto ao elemento de armazenamento 20.

[0062] Por fim, em relação às figuras 3 e 4, tais figuras ilustram possíveis realizações físicas, isto é, com componentes elétricos e suas respectivas conexões, do sistema otimizador 100 ilustrado na figura 1 e do módulo de chaveamento eletrônico 15 presente no sistema ilustrado na figura 2.

[0063] De forma mais específica, a figura 3 ilustra uma possível realização física do sistema otimizador 100 ilustrado também na figura 1 , estando ilustrados componentes elétricos que poderiam compor os módulos do sistema otimizador 100, bem como suas ligações e conexões elétricas. Cabe salientar que esta realização ilustrada na figura 3 é apenas uma realização exemplificativa, servindo apenas como uma forma de ilustrar de forma mais clara uma das possíveis realizações do sistema otimizador 100. Tal realização não deve ser entendida como uma limitação da presente invenção.

[0064] Já a figura 4 ilustra uma possível realização física do módulo de chaveamento eletrônico 15 ilustrado também na figura 2, estando ilustrados componentes, conexões e ligações elétricas que poderiam compor o módulo de chaveamento eletrônico 15. Cabe salientar que esta realização ilustrada na figura 4 é apenas uma realização exemplificativa, servindo apenas como uma forma de ilustrar de forma mais clara uma das possíveis realizações do módulo de chaveamento eletrônico 15. Tal realização não deve ser entendida como uma limitação da presente invenção.

[0065] Apesar do acima ser uma descrição completa das modalidades preferidas da invenção, várias alternativas, modificações, e equivalentes podem ser utilizados. Mais ainda, será óbvio que certas outras modificações podem ser praticadas dentro do escopo das reivindicações anexas.