BR112018077121B1 - Método de controle de potência disponível, método de controle de torque, e dispositivo de controle de potência disponível - Google Patents

Abstract

Um método de controle de potência disponível na corrente de tração elétrica de um grupo motopropulsor (GMP) consistindo em um motor térmico que pode transmitir torque do mesmo para as rodas a relações de transmissão diferentes, uma primeira máquina elétrica (ME), uma segunda máquina elétrica (HSG) ligada alternadamente aos veios receptores do motor térmico ou da primeira máquina elétrica (ME) no grupo motopropulsor (GMP), e uma bateria de alimentação de potência para as máquinas elétricas, caracterizado por a tensão de alimentação das máquinas elétricas ser estabelecida por um conversor de tensão CC/CC (13) disposto entre os terminais da bateria e os das máquinas elétricas, capaz de lhes impor uma tensão igual à da bateria (Ubat), ou de fato uma tensão (Udc) que é maior do que essa. Figura 4.

Description

[001] A presente invenção está relacionada com o controle da potência disponível em uma cadeia de tração elétrica de um veículo híbrido.

[002] Mais precisamente, o objeto da mesma é um método de controle da potência disponível na cadeia de tração elétrica de um grupo motopropulsor consistindo em um motor de combustão que pode transmitir torque do mesmo para as rodas sobre várias relações de transmissão, de uma primeira máquina elétrica de uma segunda máquina elétrica ligada alternadamente aos veios receptores do motor de combustão ou da primeira máquina elétrica no grupo motopropulsor e de uma bateria de alimentação para as máquinas elétricas.

[003] A publicação WO 2014/207332 descreve um acionamento híbrido deste tipo, com várias relações, que são elétricas, de combustão e híbridas, em que os torques do motor de combustão e de pelo menos uma máquina elétrica são adicionados na direção das rodas. O torque gerado por combustão é transmitido às rodas sobre uma relação de transmissão de “combustão”, e o torque de tração da máquina elétrica principal é feito por cima de uma relação “elétrica”. Durante alterações na relação de transmissão de combustão no modo híbrido (combinando tração por combustão e tração elétrica), o torque do motor de combustão é interrompido. O torque da máquina elétrica secundária é então acionado para sincronizar o motor de combustão com sua nova relação, enquanto providenciando torque à roda através da máquina elétrica principal.

[004] Na prática, a arquitetura elétrica do veículo, em particular a potência disponível na máquina elétrica principal, limita a sua entrada. Manter uma tração puramente elétrica até velocidades relativamente altas, por exemplo, até 80 km/h, é limitado pelo nível de tensão da bateria. A tensão é muitas vezes demasiado fraca, mesmo em plena carga, para desenvolver toda a potência elétrica de tração desejada. O fenômeno piora à medida que o estado de carga diminui. Quando as potências das duas máquinas elétricas podem ser combinadas, os desempenhos da corrente de tração elétrica permanecem insuficientes, apesar da entrada de potência da máquina elétrica secundária, que é limitada pelo nível de tensão.

[005] Além disso, se houver pouca compensação pela interrupção do torque de combustão durante as mudanças da relação de combustão, o condutor e os passageiros do veículo sentirão essa transição como a de uma transmissão robotizada com quebra de torque.

[006] É, portanto, desejável melhorar os desempenhos da corrente de tração elétrica, particularmente em veículos híbridos não recarregáveis, para ter uma potência maior e uma condução elétrica pura, e de modo a suavizar a quebra de torque sentida durante as mudanças de relação na cadeia de tração de combustão.

[007] O objetivo da presente invenção é aumentar a potência disponível, a fim de aumentar a velocidade acessível para condução elétrica, e suavizar a falha de potência durante as alterações da relação de transmissão de combustão.

[008] Para esse fim, se propõe que a tensão de alimentação para as máquinas elétricas seja estabelecida por um conversor de tensão CC [ML1], disposto entre os terminais da bateria e os terminais das máquinas elétricas, que é capaz de lhes impor uma tensão igual à da bateria ou uma tensão que é maior do que essa.

[009] Esta medida permite aumentar a potência disponível na corrente de tração elétrica, particularmente a alta velocidade.

[010] Em uma modalidade particular da invenção, o conversor de tensão impõe a tensão da bateria nas máquinas elétricas, quando o pedido de aceleração do condutor através do pedal do acelerador do mesmo permanece fraco, e lhes impõe uma tensão que é maior do que essa, quando o condutor pede uma forte aceleração.

[011] O conversor de tensão CC [ML2], que está disposto entre os terminais da bateria e os terminais das máquinas elétricas pode impor, de acordo com as condições requeridas, uma tensão igual à da bateria ou uma tensão maior do que essa.

[012] A presente invenção permite resolver simultaneamente os dois problemas técnicos citados, que são encontrados, por exemplo, em um grupo motopropulsor híbrido de força motriz não recarregável na rede elétrica no solo, com uma tensão a bordo de aproximadamente 200 V, e uma capacidade relativamente baixa, de algumas centenas de Wh.

[013] O uso preferido desta invenção é em um grupo motopropulsor consistindo em um motor de combustão ligado a um primeiro veio receptor de transmissão que pode transmitir torque do mesmo para as rodas sobre várias relações de transmissão, de uma primeira máquina elétrica ligada a um segundo veio receptor da transmissão, e de uma segunda máquina elétrica ligada alternadamente ao primeiro ou ao segundo veio receptor da transmissão.

[014] Será melhor compreendido com a leitura da seguinte descrição de uma modalidade particular da mesma, com referência aos desenhos anexos Figura em que:

[015] - A 1 é um diagrama de arquitetura híbrida.

[016] - A Figura 2 agrupa as curvas de transição da mesma.

[017] - A Figura 3 identifica as relações requeridas com relação a essas curvas.

[018] - A Figura 4 é um diagrama simplificado do circuito das máquinas elétricas.

[019] - A Figura 5 sobrepõe as curvas de depressão de velocidade e do pedal do acelerador, no caso de forte aceleração.

[020] - A Figura 6 mostra a variação correspondente das tensões no circuito.

[021] - A Figura 7 mostra a combinação das potências, e

[022] - a Figura 8 ilustra o uso da invenção para uma alteração da relação de combustão.

[023] A transmissão 1 da figura 1 é, por exemplo, do tipo “robotizada”, ou seja, a operação da mesma é a de uma transmissão manual mas as mudanças de marcha são automatizadas. O diagrama mostra uma máquina elétrica, chamada de HSG - high- voltage starter (significando gerador de partida de alta tensão) 5 e um motor de combustão 3 em um veio primário sólido 4. Outra máquina elétrica 2 chamada ME, mais potente do que a primeira máquina elétrica, é montada em um veio primário oco 6. O veio secundário 7 da transmissão é conectado ao diferencial (não mostrado) e depois às rodas do veículo.

[024] A primeira embreagem de garras 8, localizada no veio secundário 7, permite modificar a relação da máquina elétrica ME 2, independentemente do resto da transmissão, a fim de ter duas relações elétricas EV1 e EV2. A segunda embreagem de garras 9, localizada no veio primário sólido 4, permite modificar a relação do motor de combustão 3, independentemente das relações elétricas, a fim de estabelecer duas relações de combustão Th2 e Th4, independentemente da relação elétrica. A terceira embreagem de garras 11, localizada no veio de transferência 10, permite estabelecer uma terceira relação de combustão Th3, quando a mesma se move para a direita no diagrama. É possível escolher de forma independente, a cada instante, a relação desejada na primeira máquina elétrica ME2 e a desejada na unidade do motor de combustão Mth 3 e na segunda máquina elétrica HSG5. As combinações das relações de combustão e das relações elétricas tornam possível produzir relações híbridas, denotado HEVxy, em que x é a relação do motor de combustão, e y é a relação do ME.

[025] As curvas da mudança de marcha da transmissão são agrupadas em conjunto na figura 2. A transmissão 1 permite estabelecer duas relações elétricas ZE1 e ZE2, e quatro relações híbridas Hyb21, Hyb22, Hyb32, Hyb42, como uma função da “relação de combustão” e da “relação elétrica”. As curvas traçam os esforços máximos realizáveis (força às rodas em Newtons) nas relações elétricas e híbridas, em função da velocidade.

[026] No uso pretendido, é possível concordar que a relação alvo é sempre (independentemente da velocidade de movimento) uma relação elétrica ZEV, uma vez que esta relação permite realizar o pedido de torque do condutor. Por defeito, a relação engrenada se torna a maior relação híbrida, tornando possível realizar o pedido. Nessas circunstâncias, as relações requeridas podem ser distribuídas em um gráfico, como o da figura 3. Esta figura permite identificar as alterações na relação, que podem ocorrer durante a condução convencional. Se observa que em aceleração máxima existe uma transição de HEV22 para HEV32 em torno de 125 km/h. Para esta mudança, a segunda relação de combustão estabelecida deve ser desconectada da força motriz para sincronizar o motor de combustão com a nova relação do mesmo. Com uma tensão de bateria de 270 V, a primeira máquina ME pode providenciar uma potência de 35 kW. A segunda máquina HSG pode providenciar uma potência de 25 kW, enquanto o motor de combustão Mth providencia 70 kW. A potência total fornecida pela transmissão à roda antes da transição é de 105 kW. Após a transição, a transmissão fornece substancialmente a mesma potência (mais ou menos a variação na potência do motor de combustão). No entanto, durante a transição, o motor de combustão e conjunto de HSG é desconectado das rodas. Apenas o ME fornece então potência à roda, ou seja, 35 kW.

[027] O grupo motopropulsor sofre de uma falha de potência, durante essa mudança de marcha. A 125 km/h, a potência absorvida pela aerodinâmica do veículo é de aproximadamente 25 kW. A potência disponível para aceleração passa, na realidade, de 80 kW para 10 kW durante a transição. Tal queda de aceleração (de 87%) dá ao condutor a impressão de que o veículo do mesmo não acelera mais, apesar do torque fornecido pela máquina elétrica principal ME. A sensação é a de um veículo provido de transmissão robotizada com quebra de torque.

[028] A solução para estes problemas é através do controle da potência disponível na corrente de tração elétrica deste grupo motopropulsor de força motriz, que consiste principalmente no motor de combustão Mth, das duas máquinas elétricas ME e HSG, e da bateria de alimentação para as máquinas elétricas, em que a máquina principal ME pode transmitir o torque da mesma para as rodas sobre várias relações de transmissão, e a máquina elétrica secundária HSG é alternadamente ligada aos veios receptores do motor de combustão ou da máquina elétrica principal ME.

[029] Como indicado acima, a intenção é melhorar o desempenho da corrente de tração elétrica de tal grupo motopropulsor, em particular se estiver montado em um veículo híbrido não recarregável. O objetivo é ter uma maior potência durante a condução prolongada sob tração elétrica e suavizar a quebra de torque sentida pelo condutor e pelos usuários do veículo, durante as mudanças de marcha na corrente de tração de combustão.

[030] A solução para este duplo problema é destacada na figura 4 que mostra a bateria de tração 12 do veículo, cuja bateria de tração está ligada por um conversor CC - CC 13 aos inversores 14, 15, das duas máquinas elétricas ME, HSG, os quais inversores são montados em paralelo na rede elétrica com um condensador inversor 16. O dispositivo de controle proposto inclui o conversor de tensão CC [ML3] 13 disposto entre os terminais da bateria 12 e os terminais das máquinas elétricas. Este conversor pode impor-lhes uma tensão igual à da bateria Ubat ou uma tensão Udc maior do que essa. Neste dispositivo, a tensão de alimentação para as máquinas elétricas ME, HSG é, preferencialmente, regulada pelos inversores 14, 15, dispostos entre o conversor 13 e os terminais de entrada dos mesmos. Também inclui, preferencialmente, um condensador 16 entre os terminais de saída do conversor. De acordo com este diagrama, a invenção prevê a adição, entre a bateria de tração e os inversores das duas máquinas elétricas, de um conversor de tensão CC-CC, em particular do tipo de “intensificação”.

[031] As figuras 5 a 8 ilustram a maneira pela qual a invenção resolve o problema de potência durante a condução elétrica prolongada no modo “híbrido em série”, em que a máquina elétrica secundária, acionada como um motor de combustão, fornece uma potência elétrica suplementar à máquina elétrica principal.

[032] Quando o pedido do condutor, por meio do pedal do acelerador do mesmo, permanece fraco, a máquina elétrica principal ME pode por si só proporcionar a tração do veículo, ao ser alimentada com a tensão da bateria 12. Nesta situação, o conversor CC-CC 13 impõe, nas máquinas elétricas, a tensão da bateria Ubat. A máquina secundária HSG não fornece potência.

[033] Assim que o condutor pede uma forte aceleração (cf. fig. 5), o conversor 13 impõe ao circuito das máquinas elétricas uma tensão Udc maior do que a tensão da bateria Ubat (cf. fig. 6). O aumento na tensão permite aumentar o nível de potência de geração de PHSG da máquina secundária HSG (fig. 7), logo que é acionado como um gerador pelo motor de combustão. A máquina elétrica principal ME, em seguida, fornece uma potência de tração elétrica PM igual à soma da bateria PBAT e da máquina elétrica secundária PHSG.

[034] O conversor CC-CC 13 também pode impor às máquinas elétricas a tensão Udc maior do que a da tensão de bateria Ubat durante as alterações de relação de combustão. A figura 8 ilustra a distribuição das potências no veículo durante uma aceleração da relação HEV22 para HEV32 (cf. fig. 2 e 3), em que a velocidade do motor de combustão diminui de 4500 rpm para aproximadamente 3000 rpm.

[035] A estratégia aplicada durante a transição é dividida em várias etapas. Com referência ao caso de transição a partir da segunda para a terceira relação de combustão (Mth2 para Mth3) ilustrado pelas figuras, estas etapas são as seguintes:

[036] - Etapa 1, aumentar a tensão: assim que é solicitada a transição (em t0) o conversor regula 10 a tensão para um nível de aproximadamente 400 V;

[037] - Etapa 2, transferir o torque: antes da transição, a potência é principalmente fornecida pelo motor de combustão (PICE); este nível de potência de combustão é reduzido a partir de t1 a t2, para o nível máximo que a HSG é capaz de absorver (aqui 50 KW): a partir de t1, a HSG é gradualmente acionada como um gerador, até absorver a potência do motor de combustão (a partir de t2);

[038] - Etapa 3, desembreagem: em t2, toda a potência fornecida à roda é proporcionada pelo motor elétrico, nenhum torque passa através da embreagem de garras e é possível iniciar a desembreagem da embreagem de garras da relação Th2;

[039] - Etapa 4, sincronizar a velocidade do motor de combustão: em t3, o grupo motopropulsor é colocado no modo “híbrido em série”; controlando, para baixo, a potência do motor de combustão, o torque total aplicado ao veio primário (motor de combustão + HSG) se torna negativo e a velocidade cai;

[040] - Etapa 5, engatar a embreagem: em t4, a velocidade do motor atinge o valor correspondente à relação Th3; o engate da embreagem de garras correspondente é então iniciado;

[041] - Etapa 6, restabelecer o torque: em t5, uma vez que a embreagem de garras tenha sido conectada, uma operação semelhante à etapa 2 é realizada, acionando progressivamente a HSG.

[042] Em resumo, ocorre:

[043] - um aumento na tensão Udc através do conversor 13, no circuito das máquinas elétricas,

[044] - uma transferência de torque entre o motor de combustão e a máquina elétrica secundária acionada desse modo como um gerador,

[045] - o desacoplamento da relação de combustão,

[046] - a sincronização da velocidade do motor de combustão com a nova relação a ser engrenada,

[047] - o acoplamento do motor de combustão à nova relação do mesmo,

[048] - a restauração do torque na corrente de tração de combustão, acionando progressivamente a máquina elétrica secundária, e

[049] - uma diminuição da tensão através do conversor no circuito das máquinas elétricas.

[050] Durante a transição, a potência elétrica fornecida pela HSG é transmitida à máquina elétrica principal, que a utiliza inteiramente para a tração das rodas. Sem aumentar a tensão através do conversor, a ME não teria sido capaz de ter esta entrada de potência, e o nível de aceleração teria caído devido à diminuição na potência de combustão durante a transição, antes de voltar a subir. Com o aumento temporário da tensão, o nível de aceleração permanece substancialmente constante.

[051] O conversor de tensão pode ser integrado no mesmo alojamento dos inversores ME e HSG mas também pode ser integrado no pacote da bateria de tração. É então possível remover os relés de conexão da bateria, já que o conversor pode fornecer a função de conexão/desconexão da bateria à/da rede. Nesta configuração, o pré-carregamento do condensador dos inversores pode ser realizado pelo conversor.

[052] Em conclusão, a invenção resulta em um aumento transitório da tensão da rede de alta tensão (HV) durante a mudança de marcha. Graças à invenção, a potência fornecida pela primeira máquina elétrica principal ME, no modo híbrido em série e durante as alterações da relação de transmissão do motor de combustão Mth, é aumentada por operação da segunda máquina elétrica HSG em modo regenerativo. Toda a sua energia elétrica é transmitida para a primeira máquina elétrica principal. Esta pode usá-la para aumentar a potência elétrica disponível para a máquina elétrica no modo híbrido em série ou para compensar a redução do torque na roda causada pelo desacoplamento temporário do motor de combustão.

Claims (8)

1. MÉTODO DE CONTROLE DE POTÊNCIA DISPONÍVEL, na cadeia de tração elétrica de um grupo motopropulsor consistindo em um motor de combustão que pode transmitir torque do mesmo para as rodas sobre várias relações de transmissão, de uma primeira máquina elétrica (ME) de uma segunda máquina elétrica (HSG) ligada alternadamente aos veios receptores do motor de combustão ou da primeira máquina elétrica (ME) no grupo motopropulsor e de uma bateria de alimentação (12) para as máquinas elétricas, a tensão de alimentação sendo estabelecida por um conversor de tensão de corrente contínua (CC) (13) disposto entre os terminais da bateria e os terminais das máquinas elétricas, caracterizado pelo conversor (13) poder impor às máquinas elétricas uma tensão igual à da bateria (Ubat) ou uma tensão (Udc) que é maior do que essa quando o condutor pede uma aceleração forte e durante as alterações da relação de combustão.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por quando o pedido de aceleração do condutor através do pedal do acelerador é fraco, o conversor de tensão (13) impor às máquinas elétricas a tensão da bateria (Ubat).

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo aumento da tensão das máquinas elétricas aumentar a potência elétrica (PSHG) fornecida pela máquina elétrica secundária (HSG), quando é acionada como um gerador pelo motor de combustão.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela máquina elétrica principal (ME) fornecer uma potência de tração elétrica (PM) igual à soma da bateria (PBAT) e da máquina elétrica secundária (PHSG).

5. MÉTODO DE CONTROLE DE TORQUE, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por incluir as seguintes etapas: - aumento da tensão (Udc) através do conversor (13) no circuito das máquinas elétricas, - transferência de torque entre o motor de combustão e a máquina elétrica secundária acionada como um gerador, - desacoplamento da relação de combustão, - sincronização da velocidade do motor de combustão com a nova relação a ser engrenada, - acoplamento do motor de combustão à nova relação do mesmo, - restauração do torque na cadeia de tração de combustão, acionando progressivamente a máquina elétrica secundária (HSG), e - diminuição da tensão através do conversor (13) no circuito das máquinas elétricas.

6. DISPOSITIVO DE CONTROLE DE POTÊNCIA DISPONÍVEL, na cadeia de tração elétrica de um grupo motopropulsor consistindo em um motor de combustão (3) que pode transmitir torque do mesmo às rodas sobre várias relações de transmissão, de uma primeira máquina elétrica (ME) de uma segunda máquina elétrica (HSG) ligada alternadamente aos veios receptores do motor de combustão ou da primeira máquina elétrica (ME) no grupo motopropulsor e de uma bateria de alimentação (12) para as máquinas elétricas, o conversor de tensão de corrente contínua (CC) (13) estando disposto entre os terminais da bateria e os terminais das máquinas elétricas, caracterizado pelo conversor de tensão poder impor às máquinas elétricas uma tensão igual à da bateria (Ubat), ou uma tensão (Udc) que é maior do que essa quando o condutor pede uma aceleração forte e durante as alterações da relação de combustão.

7. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela tensão de alimentação para as máquinas elétricas (ME, HSG) ser regulada por inversores (14, 15), os quais estão dispostos entre o conversor (13) e os terminais de entrada do mesmo.

8. DISPOSITIVO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por incluir um condensador (16) entre os terminais de saída do conversor (13).