BR112017010534B1

BR112017010534B1 - Sistema e método de carregamento de um par de baterias e veículo pesado

Info

Publication number: BR112017010534B1
Application number: BR112017010534-9A
Authority: BR
Inventors: Gabriele Porrello
Original assignee: Iveco S.P.A
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2022-07-12
Also published as: CN107112771B; RU2017121057A; EP3221192A1; ES2759244T3; RU2017121057A3; CN107112771A; WO2016079705A1; AR102695A1; BR112017010534A2; EP3221192B1; RU2705449C2

Abstract

Um sistema de carregamento de um par de baterias, conectadas mutuamente em série, de um veículo pesado, o sistema compreendendo ao menos um alternador (G3) conectado a um sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, o par de baterias (B1, B2) sendo mutuamente conectadas em série (B1+B2) e ao sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, os meios de monitoração (S) para monitorar a tensão de carga (Vtot) da série de baterias (B1+B2), os meios de processamento (VCU, ECU) adequados para interagir com os meios de monitoração (S) e configurados para controlar o ao menos um alternador (G3) de modo a variar a respectiva tensão de alimentação, sendo que os meios de processamento (VCU, ECU) são configurados para comandar o início de um processo de carregamento da série de baterias (B1+B2), quando a diferença entre as respectivas tensões exceder um primeiro valor limiar predefinido e, para comandar a interrupção de dito processo de carregamento quando a derivada da corrente absorvida pela série de baterias (B1+B2) exceder um segundo limiar negativo predefinido.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere ao campo de sistemas para carregar baterias de veículo e, em particular, ao menos um par de baterias conectadas mutuamente em série.

Fundamentos da Invenção

[002] Em veículos pesados, tal como veículos industriais ou ônibus, o sistema elétrico do veículo apresenta uma tensão de alimentação de 24V. Isso implica no uso de ao menos um par de baterias de 12V conectadas em série para atingir a dita tensão de 24V.

[003] Apesar das células individuais, geralmente seis, que compõem uma bateria, serem praticamente idênticas, na medida em que são parte do mesmo lote de produção, as duas baterias completas, com toda a probabilidade, apresentam um comportamento dinâmico diferente.

[004] Em outras palavras, uma das duas tende a carregar menos devido a apresentar uma maior resistência interna, enquanto a outra tende a carregar mais. Isto cria uma diferença entre as tensões e aumenta a fadiga na bateria em que o ciclo de carga e descarga é executado com mais frequência.

[005] O sistema de geração de energia elétrica do veículo também compreende alternadores, que em geral produzem energia elétrica em uma tensão de carga fixa.

[006] Se a tensão de alimentação para a bateria com a maior resistência interna pudesse ser aumentada, teria sido possível carregá-la completamente, mas isso não é possível, uma vez que se encontra conectada em série com a outra bateria e, em sistemas convencionais, a conexão entre o terminal positivo e o terminal negativo não é conectada ao sistema de alimentação elétrica do veículo. Portanto, a bateria com a maior resistência interna não pode ser totalmente carregada sem que ocorra a sobrecarga da outra bateria.

Síntese da invenção

[007] O objetivo da presente invenção é o de fornecer um sistema para controlar o carregamento de um par de baterias de veículo conectadas mutuamente em série.

[008] A ideia na base da presente invenção é a de carregar as baterias de forma intermitente a uma taxa de corrente constante.

[009] Em outras palavras, a tensão é medida nas extremidades de cada bateria conectada em série. Quando a diferença de tensão entre as duas baterias exceder um limiar predefinido, um gerador elétrico é acionado para carregar o par de baterias. Ao mesmo tempo, a derivada da corrente absorvida pela série é monitorada. Quando a dita derivada exceder um valor de limiar negativo predefinido, ou seja, quando há uma queda significativa na corrente de saída, a carga das baterias é interrompida.

[0010] Os testes mostraram que ao carregar a série de baterias do veículo desta forma é possível reduzir o desequilíbrio intrínseco de cada bateria e, prolongar a vida útil da bateria com a menor resistência interna.

[0011] O objetivo da presente invenção é um sistema de carregamento para um par de baterias, conectadas mutuamente em série, de um veículo pesado, de acordo com a reivindicação 1.

[0012] Outro objetivo da presente invenção é um método para carregar um par de baterias, conectadas mutuamente em série, de um veículo pesado.

[0013] Ainda outro objetivo da presente invenção é um veículo pesado equipado com ao menos um par de baterias e o sistema de controle mencionado acima.

[0014] As reivindicações são parte integrante da presente descrição que descreve formas de realização preferidas da invenção.

Breve descrição das figuras

[0015] Outros propósitos e vantagens da presente invenção irão ser tornar evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, de uma forma de realização preferida (e formas de realização alternativas) da mesma e, a partir dos desenhos anexos, que são meramente ilustrativos e não limitativos, nos quais: - a figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de carregamento de um par de baterias, conectadas mutuamente em série, de um veículo pesado; - a figura 2 ilustra uma tomada de força dianteira (PTO) que transfere a energia do motor através de uma correia para os diversos dispositivos acionados do veículo, incluindo três geradores projetados para carregar as baterias na figura 1.

[0016] Nos desenhos, os mesmos números e letras indicam as mesmas peças e componentes.

[0017] Dentro do escopo da presente invenção, o termo “segundo” componente não implica na presença de um “primeiro” componente. Tais termos são simplesmente utilizados por razões de clareza e não devem ser considerados como limitantes do escopo da invenção.

Descrição detalhada das formas de realização da invenção

[0018] Um veículo pesado com um sistema elétrico do veículo que apresenta uma tensão de alimentação de 24 V é dotado de ao menos um par de baterias B1 e B2 mutuamente conectadas em série, com os pólos externos da série conectados ao sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, ilustrado de forma esquemática por duas linhas horizontais. Tal como nos sistemas convencionais, a conexão em série entre o terminal positivo de uma bateria e o terminal negativo da outra bateria não é de forma alguma conectada ao sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo ou a um terminal de um alternador de qualquer tipo. Em outras palavras, a dita conexão em série é isolada do sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo. Uma série de baterias é genericamente indicada por B1+B2 e é, portanto, claro que apenas os pólos externos da série são conectados ao sistema elétrico do veículo.

[0019] Um ou mais alternadores G3, G2, G1, etc., são conectados ao mesmo sistema.

[0020] Os alternadores são controlados pelos meios de processamento VCU, geralmente instalados a bordo do veículo.

[0021] De preferência, os ditos alternadores são alternadores inteligentes, dotados de seus próprios meios de processamento adequados para monitorar e controlar o funcionamento do alternador, controlando o alternador e compreendendo os meios de comunicação para a comunicação com os meios de processamento do veículo.

[0022] Um pino chamado “lin” é usado para estabelecer uma conexão de comunicação serial, através de um canal de comunicação “lin bus” (indicado pelas linhas tracejadas na figura 1) entre os meios de processamento internos ao alternador inteligente e a bordo do veículo, em geral a unidade de processamento do veículo VCU ou a unidade de controle do motor ECU.

[0023] Através de dito sistema de comunicação, os ditos geradores são em geral controlados para recuperar a energia de frenagem, por meio do ajuste da tensão de alimentação de corrente de acordo com as condições de operação do veículo.

[0024] De acordo com a presente invenção, os meios de processamento do veículo VCU (ou ECU) são configurados para monitorar a tensão Vtot nas extremidades da série e a tensão nas extremidades de cada bateria e, quando a diferença entre as ditas tensões nas extremidades das baterias individuais exceder um limiar predefinido, controlar o ao menos um alternador G3 de modo a ajustar a tensão de alimentação a fim de carregar a série de baterias B1+B2.

[0025] Ao mesmo tempo, a derivada da corrente absorvida pela série B1+B2 é monitorada. Quando a dita derivada exceder um valor de limiar negativo predefinido, ou seja, quando a corrente absorvida diminuir, os meios de processamento do veículo VCU comandam a interrupção do processo de carregamento da bateria.

[0026] A longo prazo, isto consegue alternar o carregamento a uma taxa constante de corrente.

[0027] Esta estratégia torna possível reduzir a diferença no nível de carga entre as baterias B1 e B2.

[0028] Quando os meios de processamento VCU comandam o ao menos um alternador G3 para interromper o processo de carregamento da bateria, isto não significa que o alternador já não fornece corrente, mas simplesmente que a tensão de saída é reduzida na medida em que as baterias do veículo não são mais carregadas. Em tais condições de operação, as diferentes cargas do veículo podem ainda ser alimentadas pelo alternador, enquanto as baterias do veículo atuam como um capacitor, fornecendo energia durante os picos de absorção por dispositivos específicos, tais como o sistema de injeção de combustível ou o sistema de frenagem, etc.

[0029] De acordo com uma forma de realização preferida da invenção, é possível monitorar a corrente absorvida/fornecida por cada bateria, a respectiva temperatura e a respectiva tensão, por meio de um dispositivo de medição S, que compreende três terminais, dois dos quais são conectados diretamente ao pólo negativo de cada bateria e um ao pólo positivo da fonte de energia elétrica do veículo, a fim de realizar as medições de tensão e corrente em cada bateria B1 e B2.

[0030] O dito dispositivo S é de um tipo conhecido no estado da arte e, de preferência, compreende uma unidade de processamento dotada da interface “lin”, de modo a ser apto para interagir com a VCU e/ou diretamente com o ao menos um alternador G3.

[0031] Quando um veículo é equipado com dois ou mais geradores, ver figura 2, uma tomada de força PTO, geralmente designada como tomada de força dianteira, transfere a energia mecânica do motor através de uma correia BL para os diversos dispositivos a bordo do veículo, incluindo, por exemplo, os três geradores inteligentes G1, G2, G3. A sigla S1 representa qualquer dispositivo que receba o torque do motor a partir de dita tomada de força, tal como a bomba de água no sistema de refrigeração de um motor de combustão interna E, a ventoinha de refrigeração do radiador de refrigeração e o sistema de direção hidráulico, quando aplicável.

[0032] A fonte de energia elétrica do veículo compreende uma linha de energia elétrica na qual as diversas cargas e dispositivos elétricos são conectados, incluindo as baterias do veículo.

[0033] A presença do S1 ou outros dispositivos e a sua respectiva distribuição ao longo do curso da correia é inteiramente opcional e pode variar de caso para caso.

[0034] Observando a rotação da correia BL em um sentido anti-horário, por exemplo, o primeiro alternador a receber o movimento transferido pelo PTO é o G1, a seguir o G2 e, por último, o G3. Assim, define-se o chamado “curso da correia” ou ordem de tração. A partir da descrição acima, é evidente que G1 é o alternador no qual é exercida a maior força, uma vez que o seu rolamento deve suportar a força de tração aplicada a G2, S1 e G3.

[0035] No sentido contrário, G3 é o alternador submetido à menor tensão mecânica.

[0036] De acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção, G3 é o alternador que é ativado antes de todos para fornecer energia ao sistema elétrico do veículo.

[0037] Quando a temperatura de operação de G3 aumenta, G2 será ativado e quando a temperatura de G2 subir, G1 será ativado.

[0038] No sentido contrário, quando a temperatura de G2 cair, G1 será desativado e quando a temperatura de G3 cair, G2 será desativado.

[0039] Os limiares de temperatura de ativação e desativação podem ser selecionados de modo a serem suficientemente amplos a fim de evitar condições em que a ativação/desativação seja realizada de forma contínua.

[0040] Assim, de acordo com tal forma de realização preferida da invenção, o alternador mais afastado da tomada de força é ativado primeiro, procedendo em ordem inversa à em relação à direção de rotação da correia BL, ou, da mesma forma, o alternador mais próximo da tomada de força na direção de rotação da correia BL é o primeiro a ser ativado.

[0041] De acordo com esta última indicação, que é exatamente equivalente à primeira, o segundo alternador G2 é ativado quando o primeiro alternador G1 atingir ou exceder um limiar de temperatura predefinido e, assim, sucessivamente.

[0042] De acordo com uma forma de realização preferida da invenção, para evitar a aplicação do esforço térmico excessivo sobre os geradores, os ditos geradores também podem ser controlados como uma função da corrente global absorvida pelo sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo.

[0043] Com referência específica à presente invenção, quando a VCU comandar carregar a uma taxa constante de corrente, a lógica pela qual os alternadores são ativados com base nas suas respectivas temperaturas é substituída pela ativação de um número adicional predefinido de alternadores.

[0044] Por exemplo, se a ativação de G3 for suficiente para alimentar os dispositivos a bordo do veículo, quando as baterias B1 e B2 do veículo necessitarem de recarga, a VCU comandará a ativação de G2, ou G1 e G2, sem aguardar a detecção de um aumento na temperatura de G3.

[0045] Cada alternador G1 a G3, de acordo com a velocidade de rotação do motor de combustão interna E, monitora a respectiva corrente de saída ou sua eficiência em relação à respectiva curva de eficiência máxima e envia uma mensagem, uma por evento ou ciclicamente. A dita mensagem, de acordo com as formas de realização descritas abaixo, pode determinar a ativação de um ou mais geradores adicionais.

[0046] Cada um dentre os alternadores inteligentes G1 a G3 compreende os meios de processamento para as funções descritas acima, ou seja, para controlar o respectivo dispositivo elétrico, mas também para monitorar a respectiva temperatura e corrente de saída. Em adição, os ditos meios de processamento incorporam uma interface de comunicação através da qual, de um modo geral, é possível controlar a energia elétrica fornecida pelo alternador.

[0047] Se forem utilizados geradores inteligentes genéricos, ou seja, do tipo disponível no mercado, uma unidade de processamento do veículo, ou seja, a VCU ou a ECU, interagirá com os geradores inteligentes e controlará a sua respectiva ativação.

[0048] De acordo com a dita forma de realização preferida da invenção, a VCU ou ECU recebe a informação dos geradores a respeito da respectiva temperatura e comanda a ativação de G2, G3, etc.

[0049] De preferência, cada alternador também pode enviar a informação a respeito da respectiva corrente de saída e/ou da eficiência calculada com base na respectiva curva de eficiência que por sua vez é uma função do número de rotações da tomada de força e da corrente de saída do alternador. A VCU ou ECU, uma vez que tiver recebido ditas informações a partir dos geradores que se encontram atualmente ativos, pode desse modo comandar a ativação de um ou mais geradores adicionais antes dos já ativos atingirem os limiares de temperatura de ativação mencionados acima.

[0050] No sentido contrário, quando a eficiência dos geradores ativos diminuir, a VCU ou ECU apenas comandará a desativação gradual dos geradores após verificar que as condições de temperatura requeridas foram atendidas. Por exemplo, se a corrente de saída cair drasticamente, mas G2 ainda estiver operando a uma temperatura acima do limite para a ativação de G1, G1 permanecerá ativo até que a temperatura de G2 tenha caído abaixo do limiar para a desativação de G1.

[0051] Assim, com base no descrito acima, a ordem de ativação é dada principalmente pela posição do alternador no curso da correia, a seguir pela temperatura de operação e, por último, pela saída de corrente global dos geradores.

[0052] De acordo com outra forma de realização preferida da invenção, os meios de processamento dos geradores inteligentes cooperam uns com os outros para ativar e desativar os geradores como uma função das informações trocadas e sob o comando de uma unidade de processamento VCU ou ECU do veículo. A presente invenção pode ser vantajosamente implementada por meio de um programa de computador que compreende os meios de codificação para implementar uma ou mais etapas do método, quando tal programa for executado em um computador. Assim, o escopo de proteção inclui o dito programa de computador e os meios passíveis de serem lidos pelo computador compreendendo uma mensagem gravada, os ditos meios passíveis de serem lidos por computador compreendendo os meios de codificação do programa para a implementação de uma ou mais dentre as etapas do método, quando o dito programa estiver sendo executado em um computador.

[0053] Outras formas de realização possíveis, de exemplo não limitativo, da invenção aqui descrita, podem ser implementadas sem se afastar do escopo de proteção da presente invenção.

[0054] A partir da descrição anterior será possível para o especialista na arte implementar o objeto da invenção sem a necessidade de quaisquer detalhes adicionais de construção. Os elementos e as características ilustradas nas diferentes formas de realização preferidas podem ser combinados sem se afastar do escopo de proteção do presente pedido. O descrito na descrição do estado da arte, a menos que especificamente excluído na descrição detalhada, deve ser considerado em combinação com as características da presente invenção e constitui uma parte integrante da presente invenção.

Claims

1. Sistema de carregamento de um par de baterias, conectadas mutuamente em série, de um veículo pesado, o sistema compreendendo ao menos: - um alternador (G3) conectado a um sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, o dito par de baterias (B1, B2) mutuamente conectadas em série (B1+B2) de modo que a série assim obtida é conectada ao dito sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, - os meios de monitoração (S) para monitorar a tensão de carga (Vtot) de cada uma dentre as ditas baterias (B1, B2) - os meios de processamento (VCU, ECU) adequados para interagir com os ditos meios de monitoração (S) e configurados para controlar ao menos um alternador (G3) de modo a variar a tensão de alimentação relacionada, caracterizado por os ditos meios de processamento (VCU, ECU) serem configurados para: o comandar o início de um processo de carregamento de dita série de baterias (B1+B2), quando a diferença medida entre as respectivas tensões de carga exceder um primeiro valor de limiar predefinido e, o comandar a interrupção de dito processo de carregamento quando a derivada da corrente absorvida pela dita série de baterias (B1+B2) exceder um segundo valor de limiar negativo predefinido.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo dois ou mais alternadores, caracterizado por cada alternador ser um alternador inteligente, equipado com os seus próprios meios de processamento e meios de comunicação de dados para comunicar com os ditos meios de processamento (VCU, ECU), o dito um ou mais alternadores sendo conectados mecanicamente a uma tomada de força (PTO) por meio de uma correia (BL) que define uma direção de circulação, a dita direção de circulação definindo um primeiro alternador (G3) e um segundo alternador (G2) a partir de dita tomada de força; sendo que os ditos meios de processamento (VCU, ECU) são configurados para controlar uma ativação de dito primeiro alternador (G3) e para comandar a ativação de dito segundo alternador (G2) quando uma temperatura de dito primeiro alternador (G3) exceder um limiar de ativação pré-definido (ThU).

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por os ditos meios de processamento (VCU, ECU) serem configurados ainda para: - comandar a ativação de dito ao menos segundo alternador (G2) quando o dito processo de carregamento de dita série de baterias (B1, B2) tiver iniciado e, - comandar a desativação de dito ao menos segundo alternador (G2) quando o dito processo de carregamento for interrompido.

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o terminal que conecta um pólo negativo da primeira bateria a um pólo positivo da segunda bateria não ser conectado ao sistema de energia elétrica do veículo.

5. Método para carregar um par de baterias, conectadas mutuamente em série (B1+B2), de um veículo pesado, caracterizado por o veículo compreender: - o dito par de baterias (B1, B2) mutuamente conectadas em série (B1+B2) e a um sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo, - ao menos um alternador (G3) conectado ao dito sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo para carregar a dita série de baterias, o método compreendendo as etapas de: o comandar o início de um processo de carregamento de dita série de baterias (B1+B2) quando a respectiva tensão (Vtot) cair abaixo de um primeiro valor de limiar predefinido, e o comandar a interrupção de dito processo de carregamento quando a derivada da corrente absorvida pela dita série de baterias (B1+B2) exceder um segundo valor de limiar negativo predefinido.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o dito veículo compreender dois ou mais alternadores, sendo que cada alternador é um alternador inteligente, equipado com os seus próprios meios de processamento e meios de comunicação de dados para comunicar com os ditos meios de processamento (VCU, ECU), os ditos um ou mais alternadores sendo conectados mecanicamente a uma tomada de força (PTO) por meio de uma correia (BL) que define uma direção de circulação que define a dita direção de circulação de um primeiro alternador (G3) e de um segundo alternador (G2) a partir de dita tomada de força, a seguir, o método compreende ainda as etapas de comandar a ativação de dito primeiro alternador (G3) e de controlar a ativação de dito segundo alternador (G2) quando a temperatura de dito primeiro alternador (G3) exceder um limiar de ativação pré-definido (ThU).

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender ainda as etapas de: - comandar a ativação de dito ao menos segundo alternador (G2) quando o dito processo de carregamento de dita série de baterias (B1, B2) tiver sido iniciado e - comandar a desativação de dito ao menos segundo alternador (G2) quando o dito processo de carregamento for interrompido.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o terminal que conecta um pólo negativo da primeira bateria a um pólo positivo da segunda bateria ser mantido desconectado do sistema de fornecimento de energia elétrica do veículo.

9. Veículo pesado caracterizado por ser equipado com o dito sistema de carregamento de um par de baterias conectadas mutuamente em série conforme definido em qualquer uma dentre as reivindicações de 1 a 3.