BRPI0708568B1 - trem de tração híbrido, método para controle de um trem de tração híbrido, e veículo compreendendo um trem de tração híbrido - Google Patents

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Lars Carlhammar
Svante Karlsson
Helene Panagopoulos
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Volvo Truck Corporation
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Abstract

TREM DE TRAÇÃO HÍBRIDO E MÉTODO PARA CONTROLE DE UM TREM DE TRAÇÃO HÍBRIDO. A presente invenção se refere a um trem de tração híbrido (300) incluindo: um motor de combustão (310); uma disposição de máquina elétrica (360); uma caixa de marchas (500) operável para receber força motriz a partir de pelo menos um do motor de combustão (310) e da disposição de máquina elétrica (360) para provisão de correspondente força motriz para uma carga (530) do trem de tração híbrido (300); uma unidade de controle (490) acoplada em comunicação com o motor de combustão (310), a disposição de máquina elétrica (360) e a caixa de marchas (500) para controle de suas operações; em que o trem de tração híbrido (300) é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão (310) é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, referido motor de combustão (310) requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo. A aplicação de torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão (310) é controlada em operação para substancialmente temporariamente coincidir com uma mudança de marcha na caixa de marchas (500).

Description

TREM DE TRAÇÃO HÍBRIDO, MÉTODO PARA CONTROLE DE UM TREM DE TRAÇÃO HÍBRIDO, E VEÍCULO COMPREENDENDO UM TREM DE TRAÇÃO HÍBRIDO CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção se refere a trens de tração híbridos, por exemplo, para automóveis, veículos de passageiros, ônibus, caminhões, embarcações e aplicações estacionárias. Além do mais, a presente invenção também se refere a métodos de controle de tais trens de tração, por exemplo, levando-se em consideração partida de eixo de comando e mudança de marcha de motores de combustão. Adicionalmente, a presente invenção também se refere a veículos, embarcações e similares incluindo tais trens de tração. Adicionalmente, a presente invenção se refere a software executável em hardware de computação para execução dos métodos de controle de tais trens de tração.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA
[002] Em anos recentes, pesquisa considerável foi investida em tecnologia de sistema híbrido de maneira a proporcionar economia de combustível reforçada e bem como performance motriz aperfeiçoada. Sistemas híbridos incluem trens de tração híbridos, em que cada trem de tração usualmente compreende um motor de combustão, uma disposição de máquina elétrica, um elemento de armazenamento elétrico, uma unidade de controle para gerenciamento do trem de tração, e uma disposição de transmissão para acoplamento de pelo menos a máquina elétrica para uma carga do sistema. A máquina elétrica é opcionalmente implementada como um motor/gerador. Superficialmente, tais trens de tração híbridos deveriam ser vistos para envolver complexidade adicional e potencialmente peso adicionado que deveria ser prejudicial para a performance de sistema. Entretanto, na prática, diversos benefícios surgem a partir do emprego de trens de tração híbridos em comparação com sistemas de motor de combustão simples convencionais que operam sub otimizadamente, especialmente em cenários de parada/partida urbanos.
[003] Em trens de tração híbridos contemporâneos, economia de energia reforçada pode ser obtida por operação de um motor de combustão em sua faixa de eficiência termicamente a mais eficiente e periodicamente parando e dando partida ao motor de combustão. Quando o motor de combustão não está em operação, energia motriz é proporcionada por um ou mais motores elétricos acoplados para uma bateria recarregável por intermédio de circuitos de controle eletrônico. Quando o motor de combustão está em operação, o motor de combustão pode recarregar a bateria recarregável e/ou proporcionar força motriz. Além do mais, em alguns projetos de trens de tração híbridos, os um ou mais motores elétricos podem ser configurados para funcionar como geradores para proporcionar frenagem regenerativa em que energia cinética é convertida em frenagem para recarregar baterias recarregáveis.
[004] Um problema técnico encontrado na prática é o de que motoristas de veículos de motor de combustão mais simples contemporâneos estão habituados à performance refinada em que seus veículos se desempenham tranqüilamente sem vibração fortemente perceptível a partir de seus motores. Em contradição, veículos híbridos projetados de maneira que seus motores de combustão intermitentemente são ativados e desativados, podem ser submetidos à vibração adicional e mudanças abruptas em torque motriz disponível, o que proporciona experiência de direção tão embaraçosa e potencialmente perigosa quando empreendendo manobras críticas, por exemplo, ultrapassando um outro veículo.
[005] Este problema técnico foi previamente apreciado e está apresentado em um trem de tração híbrido descrito em uma publicação de patente norte americana número US 4.533.011. Em visão global, é descrito um trem de tração como ilustrado na Figura 1. O trem de tração é indicado genericamente por (10) e compreende um motor de combustão interna (20) incluindo um manifold de exaustão (30) . O motor de combustão (20) é acoplado para um dispositivo de controle de suprimento de combustível (40) configurado para ser suprido com combustível a partir de um tanque de combustível (50) . Um eixo de comando de saída do motor de combustão (20) é acoplado por intermédio de uma primeira embreagem de desconexão (60) para uma máquina elétrica (70) operável para funcionar tanto como um motor elétrico e quanto como um gerador elétrico. A máquina elétrica (70) é adicionalmente acoplada por intermédio de uma segunda embreagem de desconexão (80) para uma entrada de uma transmissão de marcha (90) ; a transmissão (90) é operável para proporcionar para proporcionar transmissão engrenada cuja proporção de engate é controlada por intermédio de uma unidade de controle de marcha (100) . Uma saída da transmissão (90) está conectada por intermédio de uma engrenagem diferencial (110) para rodas (120) de um veículo acomodando o trem de tração (10) .
[006] O trem de tração (10) na Figura 1 adicionalmente inclui uma bateria recarregável (200) acoplada por intermédio de uma unidade de controle eletrônico (210) para a máquina elétrica (70) ; a unidade de controle eletrônico (210) é operável para controlar energia elétrica suprida para a máquina elétrica (70) para geração de torque na mesma, e para controlar energia elétrica gerada dentro da máquina elétrica (70) que é acoplada para a bateria recarregável (200) para recarregar a bateria (200) . O trem de tração (10) adicionalmente compreende uma unidade de controle de gerenciamento de motor (220) que está acoplada em comunicação com as embreagens de desconexão (60, 80), com a unidade de controle eletrônico (210) e com o dispositivo de controle de suprimento de combustível (40).
[007] A operação do trem de tração (10) irá agora ser descrita em visão global. A máquina elétrica (70) é projetada para funcionar como um volante para o motor de combustão (20) de maneira que o motor de combustão (20) de maneira que o motor de combustão (20) é menos maciço e possui menos inércia rotacional associada com este quando desacoplado pela primeira embreagem (60) a partir da máquina elétrica (70). Quando a segunda embreagem (80) é desacoplada e a primeira embreagem (60) é acoplada, a máquina elétrica (70) é operável para dar partida de eixo de comando ao motor de combustão (20) para iniciar o motor de combustão (20) em operação por suprimento de combustível para o mesmo por intermédio do dispositivo de controle de suprimento (40) . Quando o motor de combustão (20) está ativado e operacional, a segunda embreagem (80) é então engatada para acoplar força motriz gerada pelo motor de combustão (20) e opcionalmente pela máquina elétrica (70) por intermédio da transmissão (90) para a uma ou mais rodas (120) para impulsionar o trem de tração (10) e seu veículo associado. Quando o motor de combustão (20) é subseqüentemente para ser desativado, a primeira embreagem (60) é desengatada e o dispositivo de controle de suprimento de combustível (20) então interrompe suprimento de combustível para o motor (20) . Em razão do motor de combustão (20) sendo isolado por intermédio da primeira embreagem (60) sendo desengatada, vibração mínima e substancialmente mudanças súbitas em torque disponível não são experimentados por um motorista do veículo acomodando o trem de tração (10).
[008] Quando dirigindo fora de um estado estacionário, a primeira embreagem (60) é substancialmente desengatada e a máquina elétrica (70) é empregada para geração de um torque de partida substancial inicial de maneira a proporcionar uma aceleração suavizada e rápida do veículo. Quando o veículo tiver atingido uma velocidade de limiar, a primeira embreagem (60) é então engatada de maneira que torque proporcionado pelo motor de combustão (20) pode ser utilizado para suplementar aquele proporcionado a partir da máquina elétrica (70) . Quando o motor de combustão (20) é desativado, torque para propulsão do veículo é proporcionado unicamente pela máquina elétrica (70) .
[009] Embora o trem de tração (10) ilustrado na Figura 1 proporcione muitas vantagens técnicas em operação, ele contudo representa uma configuração complexa com as duas embreagens (60, 80). Além do mais, mesmo através do motor de combustão (20) contando com a máquina elétrica (70) para funcionar como um volante, o motor de combustão (20) quando ainda rotacionando e desacoplado a partir da máquina elétrica (70) é potencialmente submetido à operação instável antes de chegar em uma parada rotacional sobre interrupção de seu suprimento de combustível.
[010] Por conseqüência, o trem de tração (10) não representa uma configuração de trem de tração otimizada e é susceptível de ser adicionalmente aperfeiçoado para simplificar sua implementação e proporcionar ainda adicionalmente vibração aperfeiçoada e características de geração de torque suavizadas.
[011] Em uma publicação de patente norte americana número US 5.755.302, é descrito um aparelho de tração para um veículo híbrido. O aparelho de tração inclui um motor de combustão interna e uma unidade de transmissão de mudança de marcha. Além do mais, o aparelho de tração inclui um eixo de comando rotativo operativamente conectável para o motor de combustão interna, e um eixo de transmissão rotativo operativamente conectável para a unidade de transmissão de mudança de marcha. Adicionalmente, o aparelho de tração compreende um rotor anular movível disposto anularmente em torno do eixo de transmissão, o rotor incluindo um magneto permanente para geração de um campo magnético e um mecanismo de atamento para atamento do rotor para o eixo de transmissão de maneira que torque é transmitido em operação entre o rotor e o eixo de transmissão. Um estator anular estacionário é atável para pelo menos um do motor de combustão interna e da unidade de transmissão de mudança de marcha e é disposto concentricamente em torno e próximo do rotor em uma relação eletromagneticamente interativa. O estator inclui uma bobina condutiva para interação eletromagneticamente com o campo magnético do rotor.
[012] Adicionalmente, o aparelho de tração inclui somente uma embreagem disposta pelo menos parcialmente dentro de um recesso do estator, a embreagem incluindo dois mecanismos de acoplamento para seletivamente e friccionalmente acoplamento do eixo de de comando para o eixo de transmissão para transmissão de torque dentre os mesmos de maneira que a embreagem é permutável entre:
  • (a) uma posição engatada na qual torque é transmitido entre o eixo de de comando e o eixo de transmissão; e
  • (b) uma posição desengatada na qual a transmissão de torque entre o eixo de de comando e o eixo de transmissão pode ser descontinuada.
[013] Uma unidade de controle eletrônico do aparelho de tração é operável para variar uma carga ou torque elétrica/o gerada/o por uma máquina elétrica compreendendo o rotor e estator anteriormente referidos de uma maneira conveniente tal que flutuações de torque no eixo de transmissão são reduzidas por intermédio de amortecimento de vibração de torção. Em assim fazendo, o engate de fricção pode ser conseguido suficientemente suavemente de maneira que engate da embreagem é livre de solavancos e induz desgaste mínimo. A transmissão é eletricamente freada pela máquina elétrica de maneira a avançar uma marcha, e é eletricamente acelerada para reduzir uma marcha. Entretanto, tal sincronização para mudança de marcha leva tempo para implementação em operação.
RESUMO DA INVENÇÃO
[014] Um objetivo da presente invenção é o de proporcionar um trem de tração híbrido aperfeiçoado.
[015] A presente invenção é descrita pelas características das reivindicações de patente independentes 1 e 10 levando-se em consideração o trem de tração híbrido e das reivindicações de patente independentes 15 e 20 levando-se em consideração um método de controle de um trem de tração híbrido. As outras reivindicações de patente dependentes incluem aperfeiçoamentos vantajosos e desenvolvimentos adicionais do trem de tração híbrido e do método de controle de um trem de tração híbrido em concordância com a presente invenção.
[016] Em concordância com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um trem de tração híbrido incluindo:
  • • um motor de combustão;
  • • uma disposição de máquina elétrica;
  • • uma caixa de marchas operável para receber força motriz a partir de pelo menos um do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica para provisão de correspondente força motriz para uma carga;
  • • uma unidade de controle acoplada em comunicação com o motor de combustão, a disposição de máquina elétrica e a caixa de marchas para controle de suas operações;
  • • em que o trem de tração é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, o motor de combustão requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo;
[017] caracterizado pelo fato de que:
  • • a unidade de controle inclui entradas múltiplas para recepção de sinais de realimentação derivados a partir do trem de tração e sinais de comando para o trem de tração, e saídas múltiplas para sinais de saída saindo para operação de controle do trem de tração; e
  • • a unidade de controle adicionalmente inclui hardware de computação operável para executar uma simulação de torque do trem de tração, a simulação sendo aplicável em operação para processar informação proporcionada nas entradas múltiplas para computar uma compensação, a unidade de controle sendo operável para aplicar a compensação nas saídas múltiplas para reduzir uma amplitude de tranco de torque ocorrendo em operação no trem de tração quando o motor de combustão é permutado entre seu estado ativo e seu estado inativo.
[018] A presente invenção é vantajosa em que o trem de tração tem capacidade de proporcionar performance aperfeiçoada levando-se em consideração variações de torque súbitas reduzidas, a saber "trancos", e bem como se levando em consideração simplicidade e facilidade de operação.
[019] Opcionalmente, no trem de tração híbrido, aplicação de torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão é controlada em operação pela unidade de controle para substancialmente temporariamente coincidir com uma mudança de marcha na caixa de marchas.
[020] De maneira benéfica, no trem de tração, em que, enquanto a caixa de marchas está em um estado de acoplamento neutro, o motor de combustão é operável para dar partida de eixo de comando por desaceleração da disposição de máquina elétrica para substancialmente uma pausa, acoplamento pelo menos parcialmente rotativamente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica aplicando excitação para a disposição de máquina elétrica para aceleração rotativamente da mesma e, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar, e após isso aplicando um suprimento de combustível para o motor de combustão para trazer o motor de combustão para um estado ativo. Uma tal abordagem tem capacidade de redução de desgaste da disposição de acoplamento e também potencialmente altamente eficiente em energia levando-se em consideração recuperação de energia para recarregar o elemento de armazenamento de energia antes de começo de partida de eixo de comando do motor de combustão.
[021] Opcionalmente, no trem de tração, em que, enquanto a caixa de marcha está em um estado de acoplamento neutro, o motor de combustão é operável para dar partida de eixo de comando por manutenção da disposição de máquina elétrica em um estado de rotação, acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica para transferir torque a partir da mesma para o motor de combustão, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar, e após isso aplicando um suprimento de combustível para trazer o motor de combustão para um estado ativo. Uma tal abordagem é potencialmente mais rápida do que desaceleração do motor elétrico para substancialmente uma parada, mas potencialmente pode provocar mais desgaste da disposição de acoplamento rotacional.
[022] Preferivelmente, no trem de tração, a disposição de acoplamento rotacional inclui uma embreagem deslizante operável para proporcionar uma característica de acoplamento de torque constante através de pelo menos parte de sua faixa de deslizamento. Uma tal característica de torque constante é efetiva em filtragem de variações de torque súbitas, a saber "trancos".
[023] Preferivelmente, no trem de tração, a disposição de máquina elétrica é acoplada por intermédio de uma disposição em série da embreagem e um acoplamento de torque rotativamente complacente para o motor de combustão.
[024] Preferivelmente, no trem de tração, a disposição de acoplamento rotacional inclui uma embreagem acoplável entre o motor de combustão e a disposição de máquina elétrica. Uma tal configuração é estabelecida na prática para ser compacta, simples e robusta.
[025] Preferivelmente, no trem de tração, um ou mais dos eixos rotacionais do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica são proporcionados com um ou mais sensores acoplados para a unidade de controle para determinação de uma mensuração de torque acoplado para o motor de combustão quando se dá partida de eixo de comando ao motor de combustão e provocando que o mesmo venha a ser ativado, tal mensuração de torque sendo processada pela unidade de controle por provisão de controle da disposição de máquina elétrica para compensação pelo menos parcialmente de quaisquer mudanças abruptas em torque ocorrendo no trem de tração. A utilização da mensuração de torque tem capacidade de habilitar a disposição de controle para controle mais precisamente do trem de tração para evitar ocorrência de "trancos" no mesmo quando ativando o motor de combustão.
[026] Preferivelmente, no trem de tração, um ou mais sensores são implementados como sensores de taxa de rotação para mensuração de taxa de rotação de seus um ou mais eixos, a mensuração de torque sendo computada pela disposição de controle a partir dos movimentos de inércia de partes de componentes do trem de tração e a partir da aceleração angular temporariamente computada a partir de uma ou mais taxas de rotação mensuradas.
[027] Em concordância com um segundo aspecto da presente invenção, é proporcionado um trem de tração híbrido incluindo:
  • • um motor de combustão;
  • • uma disposição de máquina elétrica;
  • • uma caixa de marchas operável para receber força rotacional a partir de pelo menos um do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica, a caixa de marchas sendo operável para provisão de força motriz para uma carga;
  • • uma unidade de controle acoplada em comunicação com o motor de combustão, a disposição de máquina elétrica e a caixa de marchas para controle de suas operações;
  • • em que o trem de tração é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, o motor de combustão requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo;
[028] caracterizado pelo fato de que:
  • • aplicação de torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão é controlada em operação para substancialmente temporariamente coincidir com a caixa de marchas sendo engatada para acoplar força motriz para a carga do trem de tração; e
  • • em que um ou mais eixos dos eixos rotacionais do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica são proporcionados com um ou mais sensores para determinação de uma mensuração de torque acoplado para o motor de combustão quando se dá partida de eixo de comando ao motor de combustão e provocando que o mesmo venha a ser ativado, tal mensuração de torque sendo processada utilizando uma simulação de torque do trem de tração executada em operação sobre hardware de computação da unidade de controle por provisão de controle da disposição de máquina elétrica para compensação pelo menos parcialmente de quaisquer mudanças abruptas em torque ocorrendo no trem de tração.
[029] Uma tal configuração para o trem de tração é de benefício em que força motriz é mantida para impulsionar o veículo simultaneamente com o motor de combustão do veículo sendo ativado.
[030] Opcionalmente, no trem de tração, enquanto a caixa de marchas está em um estado de acoplamento engatado, o motor de combustão é operável para dar partida de eixo de comando por manutenção da disposição de máquina elétrica em um estado de rotação, acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio da disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica para transferir torque a partir da disposição de máquina elétrica para o motor de combustão, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar, e após isso aplicando um suprimento de combustível para o motor de combustão para trazer o motor de combustão para um estado ativo.
[031] Opcionalmente, no trem de tração, um ou mais sensores são implementados como sensores de taxa de rotação para mensuração da taxa de rotação de seus um ou mais eixos rotacionais, a mensuração de torque sendo computada a partir de momentos de inércia de partes componentes do trem de tração e a partir da aceleração angular temporariamente computada a partir de uma ou mais taxas de rotação mensuradas.
[032] Em concordância com um terceiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de controle de um trem de tração híbrido incluindo:
  • • um motor de combustão;
  • • uma disposição de máquina elétrica;
  • • uma caixa de marchas operável para receber força rotacional a partir um ou mais do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica, e para provisão de força motriz para uma carga;
  • • uma unidade de controle acoplada em comunicação com o motor de combustão, a disposição de máquina elétrica e a caixa de marchas para controle de suas operações; e
  • • em que o trem de tração é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, do motor de combustão requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo;
[033] caracterizado pelo fato de que referido método inclui as etapas de:
  • • recepção de sinais de realimentação derivados a partir do trem de tração e sinais de comando em entradas múltiplas da unidade de controle, e sinais de saída saindo em saídas múltiplas da unidade de controle para controle de operação do trem de tração; e
  • • aplicação na unidade de controle de uma simulação de torque do trem de tração executável sobre hardware de computação da unidade de controle, a simulação sendo aplicável em operação para processar informação proporcionada nas entradas múltiplas para computar uma compensação, a unidade de controle sendo operável para aplicar a compensação nas saídas múltiplas para reduzir uma amplitude de tranco de torque ocorrendo em operação no trem de tração quando o motor de combustão é permutado entre seu estado ativo e seu estado inativo.
[034] Opcionalmente, o método inclui as etapas de:
  • (a) iniciação de uma mudança de marcha por torque de redução suprido para a caixa de marchas e após isso colocação da caixa de marchas em seu estado neutro;
  • (b) apl icação de controle de torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão para substancialmente temporariamente coincidir com a caixa de marchas estando no estado neutro, o torque de partida de eixo de comando e suprimento de combustível para o motor de combustão sendo operável para provocar que o motor de combustão venha a ser ativado; e
  • (c) engate da caixa de marchas para a marcha e após isso aumentando torque suprido para a caixa de marchas.
[035] Opcionalmente, o método inclui as etapas adicionais de:
  • (d) enquanto a caixa de marchas está em um estado de acoplamento neutro, dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por desaceleração da disposição de máquina elétrica para substancialmente uma parada;
  • (e) acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica;
  • (f) aplicação de excitação para a disposição de máquina elétrica para aceleração rotativamente da disposição de máquina elétrica e, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar; e após isso
  • (g) aplicação de um suprimento de combustível para o motor de combustão para trazer o motor de combustão para um estado ativo.
[036] Opcionalmente, o método inclui as etapas adicionais de:
(h) enquanto a caixa de marchas está em um estado de acoplamento neutro, dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por manutenção da disposição de máquina elétrica em um estado de rotação;
acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio da disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica para transferir torque a partir da disposição de máquina elétrica para o motor de combustão, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar; e após isso aplicação de um suprimento de combustível para o motor de combustão para trazer o motor de combustão para um estado ativo.
[037] Opcionalmente, no método, a disposição de acoplamento inclui uma embreagem deslizante operável para proporcionar uma característica de acoplamento de torque constante através de pelo menos parte de sua faixa de deslizamento.
[038] Em concordância com um quarto aspecto da presente invenção, é proporcionado um veículo incluindo um trem de tração híbrido em concordância com o primeiro aspecto ou o segundo aspecto da presente invenção.
[039] Preferivelmente, o veículo é selecionado a partir de um grupo constituído de: um ônibus, um caminhão, um veículo de construção, uma van, um automóvel de passageiros, uma embarcação, um navio, uma máquina estacionária, ou qualquer tipo de veículo para o qual é requerido em operação exibir aceleração relativamente alta em uma maneira de tração de parada/partida.
[040] Em concordância com um quinto aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de controle de um trem de tração híbrido incluindo:
  • • um motor de combustão;
  • • uma disposição de máquina elétrica;
  • • uma caixa de marchas operável para receber força rotacional a partir de pelo menos um do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica, e para provisão de força motriz para uma carga;
  • • uma unidade de controle acoplada em comunicação com o motor de combustão, a disposição de máquina elétrica e a caixa de marchas para controle de suas operações; e
  • • em que o trem de tração é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, referido motor de combustão requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo;
[041] caracterizado pelo fato de que o método inclui as etapas de:
  • (a) engate da caixa de marchas para a marcha para torque de acoplamento através da mesma para proporcionar força motriz para a carga;
  • (b) aplicação de um torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão e acoplamento de um suprimento de combustível para o mesmo para ativação do motor de combustão, tal ativação do motor de combustão coincidindo substancialmente temporariamente com a caixa de marchas sendo engatada; e
  • (c) em que um ou mais dos eixos rotacionais do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica são proporcionados com um ou mais sensores para determinação de uma mensuração de torque acoplado para o motor de combustão quando se dá partida de eixo de comando ao motor de combustão e provocando que o mesmo venha a ser ativado, tal mensuração de torque sendo processada na unidade de controle utilizando um modelo de simulação de torque para provisão de controle da disposição de máquina elétrica para compensação pelo menos parcialmente de quaisquer mudanças abruptas no torque ocorrendo no trem de tração.
[042] Opcionalmente, o método inclui as etapas adicionais de:
  • (d) enquanto a caixa de marchas está em um estado de acoplamento engatado, dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por manutenção da disposição de máquina elétrica em um estado de rotação;
  • (e) acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional do motor de combustão para a disposição de máquina elétrica para transferência de torque a partir da disposição de máquina elétrica para o motor de combustão, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão para uma taxa de rotação de limiar; e após isso
  • (f) aplicação de um suprimento de combustível para o motor de combustão para trazer o motor de combustão para um estado ativo.
[043] Opcionalmente, no método, um ou mais sensores são implementados como sensores de taxa de rotação para mensuração de taxa de rotação de seus um ou mais eixos, a mensuração de torque sendo computada por uma unidade de controle a partir de momentos de inércia de partes componentes do trem de tração e a partir da aceleração angular temporariamente computada a partir de uma ou mais taxas de rotação mensuradas.
[044] Em concordância com um sexto aspecto da presente invenção, é proporcionado um programa de computador em um suporte de dados, o programa de computador sendo executável sobre um hardware de computação para implementação de um método em concordância com o quarto aspecto ou o quinto aspecto da presente invenção.
[045] Em concordância com um sétimo aspecto da presente invenção, é proporcionado um programa de computador compreendendo um recurso de código de programa de computador adaptado para desempenhar um método ou para utilização em um método em concordância com o quarto aspecto ou o quinto aspecto da presente invenção quando o programa de computador está rodando em um microcomputador programável.
[046] Preferivelmente, o programa de computador é adaptado para ser "baixado" para um trem de tração em concordância com o primeiro aspecto ou o segundo aspecto da presente invenção, ou um ou mais de seus componentes quando rodando em um computador que está conectando com a internet.
[047] Preferivelmente, o produto de programa de computador é armazenado em uma mídia (meio) de leitura por computador, compreendendo o recurso de código de programa de computador anteriormente referido.
[048] Em concordância com um oitavo aspecto da presente invenção, o método para controle de um trem de tração híbrido possuindo um motor de combustão, uma disposição de máquina elétrica e uma caixa de marchas operável para receber energia motriz a partir de pelo menos um do motor de combustão e da disposição de máquina elétrica para provisão de correspondente energia motriz para uma carga; compreendendo as seguintes etapas iniciando a partir de um estado operacional de trem de tração onde a carga sofre energização por intermédio da disposição de máquina elétrica:
  • • redução de um torque rotacional de saída da disposição de máquina elétrica para a caixa de marchas;
  • • controle da caixa de marchas; e
  • • dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica.
[049] O método resulta em um estado operacional de trem de tração onde a carga sofre energização pelo menos por intermédio do motor de combustão.
[050] O método é especialmente adequado para um procedimento de aceleração para um trem de tração compreendendo uma embreagem única, em que a disposição de máquina elétrica é operacionalmente disposta entre o motor de combustão e a caixa de marchas e a embreagem única é disposta entre o motor de combustão e a disposição de máquina elétrica. Por conseqüência, o método cria condições para eliminação de uma segunda embreagem, que está presente em muitas soluções do estado da técnica.
[051] Adicionalmente, o torque rotacional de saída da disposição de máquina elétrica é preferivelmente reduzido para zero antes que a caixa de marchas venha a ser controlada. O procedimento de redução pode ser feito em etapas, isto é, redução substancialmente instantânea, mas o torque rotacional de saída é preferivelmente de declinação descendentemente, isto é, de uma maneira contínua e gradual.
[052] Adicionalmente, as etapas de método não são necessariamente desempenhadas em ordem cronológica.
[053] Preferivelmente, o método compreende as etapas de:
  • • mudança da caixa de marchas para um estado neutro depois da redução do torque rotacional de saída da disposição de máquina elétrica;
  • • engate de uma marcha na caixa de marchas depois de mudança da caixa de marchas para o estado neutro;
  • • declinação ascendentemente de um torque rotacional de saída para a caixa de marchas depois do engate da marcha na caixa de marchas;
  • • declinação ascendentemente do torque rotacional de saída para a caixa de marchas por intermédio de declinação ascendentemente de pelo menos o torque rotacional de saída do motor de combustão (o que é desempenhado por injeção de combustível para o motor); e
  • • iniciação de injeção de combustível para o motor de combustão em uma velocidade pré-determinada do motor de combustão.
[054] A fase de declinação ascendentemente pode ser desempenhada com uma contribuição de energia a partir da disposição de máquina elétrica.
[055] Preferivelmente, o método compreende a etapa adicional de sincronização da velocidade de saída do motor de combustão antes que o torque rotacional de saída do motor de combustão venha a sofrer declinação ascendentemente.
[056] Preferivelmente, o método compreende a etapa de ativação de uma disposição de acoplamento disposta entre o motor de combustão e a disposição de máquina elétrica de maneira a dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica. Isto pode ser desempenhado de uma pluralidade de maneiras. Em concordância com um primeiro exemplo, o método compreende a etapa de manutenção de uma velocidade rotacional específica da disposição de máquina elétrica enquanto simultaneamente parcialmente ocorre fechamento da disposição de acoplamento. Em concordância com um segundo exemplo, o método compreende a etapa de desaceleração da velocidade rotacional da disposição de máquina elétrica para uma parada e fechamento totalmente da disposição de acoplamento antes de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica.
[057] Preferivelmente, o método compreende a etapa de sincronização de detecção de uma velocidade de saída da disposição de máquina elétrica e uma velocidade de saída do motor de combustão e fechamento totalmente da disposição de acoplamento quando a velocidade de saída detectada da disposição de máquina elétrica e a velocidade de saída detectada do motor de combustão estão dentro de uma faixa de velocidade pré-determinada.
[058] Preferivelmente, o método compreende a etapa de adição de um torque adicional para a disposição de máquina elétrica de maneira a compensar para o torque necessário para dar partida de eixo de comando ao motor de combustão. Preferivelmente, o método compreende a etapa de detecção de uma pluralidade de parâmetros operacionais de trem de tração indicativos de torque e cálculo de uma magnitude do torque adicional sobre o fundamento dos parâmetros operacionais de trem de tração detectados.
[059] Preferivelmente, o método compreende a etapa de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica enquanto a caixa de marchas está no estado neutro.
[060] Preferivelmente, o método compreende a etapa da etapa de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica enquanto a caixa de marchas está em um estado engatado. Desta maneira, o tempo total para o procedimento para dar partida ao motor de combustão e torque de saída a partir do motor para a caixa de marchas pode ser encurtado. Por conseqüência, ao motor de combustão é preferivelmente dada partida de eixo de comando por intermédio da disposição de máquina elétrica enquanto um eixo de entrada da caixa de marchas está engatado para a carga. Neste contexto, o método preferivelmente compreende a etapa de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica durante a redução do torque rotacional de saída da disposição de máquina elétrica para a caixa de marchas ou, alternativamente, durante declinação ascendentemente do torque rotacional de saída para a caixa de marchas.
[061] Na última fase da declinação descendentemente, existe torque disponível na máquina elétrica (isto é, a máquina elétrica não está operando em seu torque rotacional de saída máximo ou próximo do seu máximo), e pelo menos parte deste torque disponível pode ser adicionado neste estágio. Similarmente, na fase inicial de declinação ascendentemente existe torque disponível na máquina elétrica (isto é, a máquina elétrica não está operando em seu torque rotacional de saída máximo ou próximo do seu máximo), e pelo menos parte deste torque disponível pode ser adicionado neste estágio. Por conseqüência, em ambas as situações, existe torque adicional disponível na máquina elétrica, que pode ser utilizado para dar partida de eixo de comando ao motor de combustão. Por conseqüência, durante uma das partes definidas das fases de declinação ascendentemente ou de declinação descendentemente, o torque de saída da disposição de máquina elétrica é substancialmente aumentado (preferivelmente para saída máxima) para um curto intervalo de tempo de maneira a dar partida de eixo de comando ao motor de combustão.
[062] Preferivelmente, o método compreende a etapa de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica depois da sincronização do torque rotacional de saída do motor de combustão.
[063] Preferivelmente, o método compreende a etapa de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão por intermédio da disposição de máquina elétrica quando a disposição de máquina elétrica está em um estado operacional que difere substancialmente a partir de um estado operacional no qual a máquina elétrica é operada em torque rotacional de saída máximo.
[064] Preferivelmente, o método compreende a etapa de permutação de marchas na caixa de marchas (500) durante referida permutação a partir de energização da carga por intermédio da disposição de máquina elétrica para energização da carga por intermédio do motor de combustão.
[065] Deverá ser apreciado que características da presente invenção são susceptíveis de serem combinadas em qualquer combinação sem se afastar a partir do escopo da presente invenção como definido pelas reivindicações de patente acompanhantes.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[066] Concretizações da presente invenção irão agora ser descritas em maiores detalhes, de uma maneira não limitante, por intermédio de exemplos somente, com referência para os Desenhos acompanhantes, nos quais:
A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um trem de tração híbrido descrito em uma publicação de patente norte americana número US 4.533.011;
A Figura 2 é uma ilustração esquemática de um trem de tração híbrido em concordância com a presente invenção;
A Figura 3 é um gráfico ilustrando um procedimento de dar partida de eixo de comando ao motor de combustão empregado no trem de tração híbrido ilustrado na Figura 2;
A Figura 4 é um gráfico ilustrando características de acoplamento de torque de uma embreagem empregada no trem de tração híbrido da Figura 2;
A Figura 5 é um diagrama esquemático ilustrando vários torques gerados e encontrados no trem de tração híbrido da Figura 2;
A Figura 6 é uma ilustração esquemática de um loop de realimentação incluído no trem de tração híbrido da Figura 2 por redução de uma amplitude de trancos de torque ocorrendo quando o trem de tração híbrido está em operação;
A Figura 7 é uma ilustração de funções de controle utilizadas em uma unidade de controle central do trem de tração híbrido da Figura 2, as funções de controle sendo operáveis para reduzir uma ocorrência de trancos de torque no trem de tração híbrido quando em operação, e
A Figura 8 é uma representação de computações matemáticas executadas dentro da unidade de controle central como mostrado na Figura 7.
[067] As Figuras são somente representações esquemáticas e a presente invenção não está limitada para as concretizações nelas representadas.
DESCRIÇÃO DE CONCRETIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[068] A seguir, concretizações de um trem de tração híbrido em concordância com a presente invenção irão ser descritas. Aqui posteriormente, a operação dos trens de tração híbrida irá ser elucidada. Implementações alternativas dos trens de tração híbridos irão então ser descritas.
[069] Enquanto a seguir a presente invenção é exemplificada em concretizações de um trem de tração híbrido para um veículo, isto não implica de nenhuma maneira em qualquer restrição levando-se em consideração o campo de aplicação da presente invenção. Pelo contrário, a presente invenção é também utilizável em muitos outros campos de aplicação como por exemplo, em trens de tração híbridos para trens, embarcações, navios e aplicações estacionárias.
[070] Referindo-se agora à Figura 2, é ilustrado um trem de tração híbrido indicado genericamente pelo numeral de referência (300). O trem de tração (300) é projetado para incluir relativamente poucas partes componentes para assegurar elevada confiabilidade e compacidade reforçadas. Além do mais, muitas de suas partes são adaptações de componentes bem testados utilizados em veículos em todo o mundo. Entretanto, o trem de tração híbrido (300) difere a partir de trens de tração conhecidos em diversos aspectos importantes que irão ser elucidados adicionalmente mais tarde.
[071] O trem de tração (300) inclui um motor de combustão (310) com seu manifold de exaustão associado (320). O motor de combustão (310) pode tanto ser normalmente aspirado ou quanto turbo-charged. Opcionalmente, o motor de combustão (310) é um motor a diesel, um motor a biogás ou um motor a gasolina. Um eixo de comando (de manivela, excêntrico) de saída de torque de motor (340), abreviado para eixo de comando de saída (340), do motor de combustão (310) é rotativamente acoplado para uma primeira placa de uma embreagem (330). Uma segunda placa da embreagem (330) é rotativamente acoplada por intermédio de um eixo adicional (350) para uma disposição de máquina elétrica (360) . A embreagem (330) é preferivelmente uma embreagem de tipo deslizante que proporciona uma característica de acoplamento de torque que irá ser descrita posteriormente com referência para Figura 4; a embreagem (330) é continuamente ajustável a partir de totalmente desengatada para totalmente engatada e graus de acoplamento de torque dentre estas.
[072] A disposição de máquina elétrica (360) inclui pelo menos uma máquina elétrica (370) que não é somente operável para gerar energia mecânica de rotação e, por conseqüência, torque de tração quando excitada por energia elétrica, mas também operável para funcionar como um gerador quando configurada para proporcionar frenagem regenerativa e, por conseqüência, torque de frenagem; a máquina elétrica (370) tem, por conseqüência, capacidade de funcionamento tanto como um motor e quanto como um gerador. A máquina elétrica (370) é opcionalmente implementada como um dispositivo de indução ou como um dispositivo de relutância permutado ou um dispositivo fundamentado em tecnologia de magneto permanente. A disposição de máquina elétrica (360) adicionalmente inclui um eixo de saída de torque de motor (380), abreviado para eixo de saída (380), rotativamente acoplado para a máquina elétrica (370) e também acoplável por intermédio da embreagem (330) para o eixo de comando de saída (340) do motor de combustão (310) como ilustrado. Adicionalmente, a disposição de máquina elétrica (360) inclui uma unidade de controle de máquina elétrica (390) e uma unidade eletrônica de energia (400) para permutar corrente alta para e a partir da máquina elétrica (370) em resposta para seu funcionamento como um motor de tração ou como um gerador.
[073] O trem de tração (300) também inclui uma montagem de armazenamento de energia (450) compreendendo um elemento de armazenamento de energia (460) eletricamente acoplado para um controlador de armazenamento de energia (470) para gerenciamento de descarga e de recarga do elemento de armazenamento de energia (460) . O elemento de armazenamento de energia (460) é opcionalmente implementado como uma bateria recarregável, por exemplo, utilizando uma tecnologia de bateria de hidreto de metal de níquel (NiMH), uma tecnologia de bateria recarregável de ácido de chumbo avançada, uma tecnologia de célula recarregável de íon de lítio, ou uma tecnologia de célula recarregável de polímero de lítio. A utilização de super capacitores como elementos de armazenamento de energia (460) é também possível. Ainda mais opcionalmente, o elemento de armazenamento de energia (460) pode ser implementado utilizando, por exemplo: uma tecnologia de armazenamento de energia hidráulica, uma tecnologia de armazenamento momentâneo de volante de rotação ou qualquer outro tipo de tecnologia de armazenamento de energia mecânica combinada com qualquer disposição de conversão de energia adequada (não mostrada) convertendo:
energia elétrica produzida pela máquina elétrica (370) ( funcionando como gerador) em uma forma de energia adequada para armazenamento em referido elemento de armazenamento de energia (460) ; e energia armazenada em referido elemento de
armazenamento de energia (460) em energia elétrica para utilização na máquina elétrica (370) (funcionando como motor).
[074] Ainda mais opcionalmente, o elemento de armazenamento de energia (460) pode ser implementado como uma combinação de diversas de tais tecnologias de armazenamento de energia para melhor utilização de características de carga e descarga individuais destas tecnologias.
[075] O trem de tração (300) e seu veículo possuem associados com os mesmos auxiliadores elétricos (480), por exemplo, um ou mais de aquecedores elétricos, ventiladores, sistemas de segurança e funções de controle de climatização de veículo. Estes auxiliadores elétricos (480) são eletricamente acoplados para o elemento de armazenamento de energia (460) como ilustrado na Figura 2.
[076] O eixo de saída de torque de motor (380) anteriormente mencionado é rotativamente acoplado para uma caixa de marchas (500). A caixa de marchas (500) é operável para proporcionar diversas relações de marcha discretas e um acoplamento neutro a partir do eixo de saída de torque de motor (380) para um eixo de saída final (510) . O eixo de saída final (510) é rotativamente acoplado por intermédio de uma marcha de diferencial (520) para uma carga (530) de um sistema que é exemplificado na Figura 2 como as rodas (carga) do eixo de tração do veículo (sistema) em que o trem de tração (300) é montado.
[077] Os vários eixos de saída (340, 350, 380, 510) representados na Figura 2 são também referidos como "eixos rotacionais" ou "eixos de saída rotacionais".
[078] O sistema é opcionalmente: um automóvel de passageiros, uma embarcação, um navio, um veículo comercial pesado, tal como um ônibus, um caminhão, um veículo de construção, uma van de entregas, ou qualquer outro tipo de veículo que é requerido em operação exibir aceleração relativamente alta em uma maneira de tração de parada/partida. Entretanto, a presente invenção não está limitada para tais veículos. A carga (530) pode incluir rodas, propulsores ou similares dependendo da natureza do sistema.
[079] O trem de tração (300) é adicionalmente proporcionado com uma unidade de controle central (490) eletricamente acoplada para uma montagem de acionador (não mostrada) associada com a embreagem (330), para a unidade de controle de máquina elétrica (390) , para o controlador de armazenamento de energia (470), e para uma unidade de acionador (não mostrada) associada com a caixa de marchas (500) . A unidade de controle central (490) é operável para proporcionar uma interface de múltiplas entradas para um motorista do veículo, por exemplo, a unidade de controle central (490) é acoplada para receber comandos de aceleração, de frenagem e de mudança de marcha a partir do motorista. Além do mais, ainda que não ilustrado na Figura 2, o trem de tração (300) inclui sensores em diversas posições estratégicas no trem de tração (300) para mensuração do torque, ou mensuração de sinais parâmetros possibilitando os subseqüentes cálculo ou estimativa do torque, como mostrado na Figura 5; os sensores são beneficamente implementados como sensores de taxa de rotação, por exemplo, tacômetros implementados como codificadores ópticos ou indutivos, operáveis para geração de sinais; a partir dos sinais, uma mensuração do torque pode ser computada a partir da aceleração angular dϖ/dt utilizando a Equação 1 (Eq. 1) :
T = I * dϖ/dt (Eq. 1)
Em que:
T = torque; e
I = momento de inércia.
[080] A unidade de controle central (490) é operável para desempenhar várias funções que irão ser elucidadas mais tarde se referindo à interação do motor de combustão (310) , da embreagem (330), da disposição de máquina elétrica (360) e da caixa de marchas (500) . Além do mais, a unidade de controle central (490) é beneficamente implementada utilizando hardware de computação compreendendo um ou mais computadores.
[081] Em geral, trens de tração híbridos conhecidos no estado da técnica são susceptíveis em operação à exibição de mudanças abruptas em torque, a saber "trancos" de torque. Uma solução possível para diminuição do efeito de tais trancos indesejados é empregar duas embreagens de desconexão como apresentado na publicação de patente norte americana número US 4.533.011. Entretanto, uma tal possível solução é indesejável, especialmente no caso de veículos grandes tais como ônibus ou caminhões. A publicação de patente norte americana número US 4.533.011 anteriormente mencionada, é referenciada a veículos pessoais tais como automóveis pessoais, carros pequenos e similares. No caso de um trem de tração típico para um tipo grande de veículo híbrido, o motor de combustão tem capacidade de desenvolver muitas centenas de quilowatts de energia mecânica, o motor elétrico é similarmente proporcionado para entregar uma saída de energia mecânica da ordem de 100 kW, potencialmente 200 kW ou mais. Por conseqüência, como conseqüência da solução descrita na publicação de patente norte americana número US 4.533.011 resulta em custos aumentados, em peso aumentado, em tamanho aumentado do trem de tração, e em um decréscimo em confiabilidade do trem de tração levando-se em consideração mais partes componentes correspondendo para mais itens que podem potencialmente falhar em utilização. Por conseqüência, em resumo, o trem de tração (300) em concordância com a presente invenção ilustrado na Figura 2 representa uma configuração diferente para aquela apresentada na patente norte americana número US 4.533.011.
[082] A operação do trem de tração (300) irá ser agora descrita com referência para Figura 2. A unidade de controle central (490) é programada para ativação do motor de combustão (310) periodicamente de maneira a operar o mesmo em uma parte a mais eficiente de seu regime de operação térmica de maneira a possibilitar que o motor de combustão (310) venha a proporcionar economia de combustível reforçada para o trem de tração (300) . Beneficamente, o motor de combustão (310) é de projeto sintonizado (particularizado). Existem, conseqüentemente, períodos durante os quais o motor de combustão (310) está em um estado desativado sem combustível sendo suprido para o mesmo. Quando o motor de combustão (310) está no estado desativado, a embreagem (330) é beneficamente acionada pela unidade de controle central (490) para estar em um estado desengatado. Como descrito precedentemente, a embreagem (330) está pelo menos parcialmente engatada para torque acoplado a partir do motor de combustão (310) quando o motor de combustão (310) está em seu estado ativado com combustível suprido para o mesmo. A unidade de controle central (490) é programada para controlar a operação da máquina elétrica (370), da embreagem (330) e do motor de combustão (310) de maneira que a desativação e ativação do motor de combustão (310) ocorrem no trem de tração (300) sem substancialmente induzir quaisquer trancos de torque dignos de atenção. Uma tal característica é especialmente importante quando o trem de tração (300) é empregado em um ônibus que transporta em operação passageiros em uma posição em pé, ao ônibus sendo requerido acelerar suavemente e rapidamente em ambientes urbanos de maneira a não impedir indevidamente fluxo de trânsito e ainda ser tão eficiente em combustível quanto possível para satisfazer regulamentações econômicas e de emissão de combustível.
[083] Referindo-se à Figura 4, a embreagem (330) é operável para proporcionar substancialmente uma transferência de torque constante de ponta a ponta quando em um estado de deslizamento para um determinado deslize selecionado para as placas de embreagem da mesma. Na Figura 4, um eixo de abscissas (600) simboliza acoplamento aumentando (K) através da embreagem (330) com acoplamento aumentando (K) a partir da esquerda para direita. Além do mais, na Figura 4, está também incluído um eixo de ordenadas (610) simbolizando torque transferido através da embreagem (330) entre os eixos anteriormente mencionados (340, 350); o torque (T) aumenta a partir do fundo para o topo ao longo do eixo de ordenadas (610). O torque (T) transferido através da embreagem (330) como uma função do acoplamento (K) é simbolizado por uma curva (620) e é incluído em uma região intermediária (630). Quando o acoplamento (K) é 0 %, os dois eixos (340, 350) estão mutuamente desacoplados. Além do mais, quando o acoplamento (K) é 10 %, os eixos (340, 350) estão acoplados juntamente e rotacionam em sincronização nutuamente angular. Na região intermediária (630) de acoplamento (K), a embreagem (330) é operável em seu modo de deslizamento em que a embreagem (330) é operável para acoplar um valor constante de torque (T) para um determinado correspondente valor do acoplamento (K) como ilustrado. Uma tal característica é altamente benéfica pelo fato de que trancos de torque gerados pelo motor de combustão (310) quando se dando partida coincidente com a embreagem (330) sendo operada na região (630) resulta na embreagem (330) funcionando como um filtro para variações súbitas em torque. Esta característica é vantajosamente utilizada na presente invenção para habilitar o trem de tração (300) a suavemente entregar energia para as rodas (530) enquanto ao motor de combustão (310) está se dando partida para seu estado ativado. Quando uma mudança súbita em torque acoplado através da embreagem (330) ocorre, por exemplo, em resposta para o motor de combustão (310) mudando a partir de um estado inativado, onde como ele representa um torque de arraste, para um estado ativo, pelo que o mesmo representa uma fonte de torque de tração, uma mudança de etapa em torque é susceptível para propagação através do trem de tração (300) como um tranco de torque. Quando uma tal mudança de etapa provoca que a embreagem (330) venha a mudar abruptamente a partir de um estado de deslizamento para um estado sincronizado, a embreagem (330) não mais proporciona sua característica de filtragem de variação de torque, em conseqüência disso resultando em uma mudança de etapa de torque, a saber potencialmente um tranco, para propagação através do trem de tração (300) ; entretanto, a presente invenção é operável para redução de propagação de tais trancos.
[084] A unidade de controle central (490) é operável para seletivamente empregar dois diferentes procedimentos para dar partida ao motor de combustão (310) enquanto provocando uma diminuição considerável do (indesejado) efeito de trancos ou interrupções de torque de tração disponíveis no eixo de saída (510) do trem de tração (300). O primeiro procedimento irá ser descrito com referência para a Figura 3 em que um eixo de abscissas (700) simboliza tempo decorrido a partir da esquerda para a direita, e em que um eixo de ordenadas (710) simboliza torque entregue através da caixa de marchas (500) para as rodas (530). Uma curva (720) simboliza o torque de tração (T) proporcionado por intermédio da caixa de marchas (500) durante fases de transmissão (P1) até (P7) .
[085] Em um primeiro procedimento, as seguintes etapas são seguidas:
  • (a) na fase (P1), o motor de combustão (310) está em um estado desativado, a máquina elétrica (370) é energizada a partir do elemento de armazenamento de energia (460) para provisão de torque de tração através da caixa de marchas (500) para uma carga (530);
  • (b) durante a fase (P2), energia elétrica proporcionada a partir do elemento de armazenamento de energia (460) para a máquina elétrica (370) é gradualmente reduzida de uma maneira de declinação de maneira a reduzir um torque sendo experimentado por rodas de marcha incluídas na caixa de marchas (500);
  • (c) na fase (P3), a unidade de controle central (490) instrui acionadores associados com a caixa de marchas (500) para a mudança da caixa de marchas (500) para neutro de maneira a desacoplar os eixos (380, 510);
  • (d) na fase (P4), a embreagem (330) está pelo menos parcialmente engatada e energia elétrica é então aplicada para a máquina elétrica (370) para dar partida de eixo de comando ao motor de combustão (310) para um período de tempo em uma faixa típica de 50 milisegundos para 2 segundos, mais opciolamente 0,25 segundo para 1 segundo; durante este período, suprimento de combustível para o motor de combustão (310) é começado para trazer o motor de combustão (310) para seu estado ativado; quando o motor de combustão (310) está operando de uma maneira estável, a embreagem (330) é então opcionalmente totalmente engatada, a saber o acoplamento (K) = 100 %;
  • (e) durante a fase (P5), a unidade de controle central (490) é operável para ajustar pelo menos uma das taxas de suprimento de combustível para o motor de combustão (310) e energia elétrica suprida para a máquina elétrica (370) de maneira a sincronizar uma taxa mútua de rotação dos eixos (380, 510), e após isso a caixa de marchas (500) é engatada em marcha (engrenada);
  • (f) durante a fase (P6), a unidade de controle central (490) é operável para aumentar a saída de torque a partir de pelo menos um da máquina elétrica (370) e do motor de combustão (310); e
  • (g) durante a fase (P7), o torque entregue para a caixa de marchas (500) é variado em resposta para demanda recebida a partir do motorista na unidade de controle central (490) .
[086] Na etapa (d), engate parcial da embreagem (330) pode opcionalmente ser utilizado para pelo menos parcialmente filtragem de transferência de tranco de torque entre o motor de combustão (310) e o motor elétrico (370) .
[087] O primeiro procedimento pode ser implementado de diversas diferentes maneiras. Na etapa (d) correspondendo para fase (P4):
a máquina elétrica (370) pode ser tracionada em uma velocidade de rotação específica utilizando a unidade de controle de máquina elétrica (390) recebendo comandos a partir da unidade de controle central (490) . A embreagem (330) é então parcialmente engatada de maneira que a acoplagem (K) é menor do que 100 % para transferir um torque apropriado para acelerar o eixo de saída (340) do motor de combustão (310) . Quando o eixo de saída (340) do motor de combustão (310) tiver atingido uma velocidade suficientemente alta, suprimento de combustível para o motor de combustão (310) é começado para trazer o motor de combustão (310) para seu estado ativado. Opcionalmente, a embreagem (330) é então ajustada para proporcionar acoplamento de torque total dentre os mesmos, a saber o acoplamento (K) = 100 %; ou alternativamente
(ii) a máquina elétrica (370) é trazida para uma parada, por exemplo, por frenagem regenerativa de maneira que a energia rotacional da mesma é transferida para recarregar o elemento de armazenamento de energia (460). A embreagem (330) é a seguir totalmente engatada de maneira que o acoplamento (K) = 100 %. A máquina elétrica (370) é então aplicada para proporcionar torque para dar partida de eixo de comando ao eixo de saída (340) do motor de combustão (310) e, em conseqüência disso, aceleração do eixo de saída (340) do motor de combustão (310) . Quando o eixo de saída (340) está rotacionando em uma taxa de rotação suficientemente alta, combustível é suprido para o motor de combustão (310) para ativar o motor de combustão (310).
[088] A opção (i) potencialmente requer menos tempo para trazer o motor de combustão (310) em operação. A opção (ii) é potencialmente mais eficiente energeticamente.
[089] De importância notar, os procedimentos (P1) até (P7) são beneficamente implementados em conjunção com uma mudança de marcha na caixa de marchas (500) na medida em que a etapa (c) correspondendo para a fase (P3) requer que a caixa de marchas (500) seja colocada em neutro. A implementação do primeiro procedimento em conjunção com uma mudança de marcha pode provocar que a mudança de marcha venha a ser ligeiramente prolongada em comparação com uma correspondente mudança de marcha simples em que o motor de combustão (310) não está ativado. Entretanto, em prática, a prolongação não é verificada ser um problema, especialmente em sistemas grandes, tais como caminhões, ônibus, embarcações, navios e similares.
[090] Em determinadas situações nas quais o trem de tração (300) é requerido para operar, é vantajoso que a transmissão de energia para a carga (530), por exemplo, rodas, não venha a ser interrompida durante ativação do motor de combustão (310). Uma tal situação surge, por exemplo, quando um ônibus é utilizado em ambientes urbanos submetidos a controles de emissões de exaustão severos e quando o ônibus é requerido para acelerar de uma maneira suavizada para se juntar com trânsito urbano sem provocar que passageiros dentro do ônibus venham a experimentar trancos que poderiam representar uma situação de segurança.
[091] A presente invenção considerou duas importantes situações, a saber:
(h) a embreagem (330) em sua faixa de deslizamento (630) é susceptível para proporcionar filtragem de trancos de torque; e
(i) o motor elétrico (370) pode ser precisamente controlado, muito mais do que o motor de combustão (310) por intermédio de controle de seu suprimento de combustível, de maneira que seu torque e momento rotacional podem ser rapidamente variados.
[092] Uma tal consideração é importante quando descrevendo um segundo procedimento em concordância com a presente invenção para ativação do motor de combustão (310) ; uma transição a partir do motor de combustão (310) sendo inativa e provocando um torque de arraste para ser ativo e provocando um torque de tração pode resultar em uma mudança súbita em torque acoplado através da embreagem (330), por exemplo, provocando que a embreagem (330) venha a prontamente conseguir sincronização dentre os mesmos.
[093] Primeiramente, para descrição do segundo procedimento, balanceamentos de torque dentro do trem de tração (300) irão ser primeiramente elucidados. Referindo-se à Figura 5, um torque (Tdes) é definido como sendo um torque que é desejável para entregar para a caixa de marchas (500) quando a caixa de marchas (500) esta engatada em marcha. Um torque (Tb,EM) é definido como um torque entregue pela máquina elétrica (370) que está acoplada diretamente para a caixa de marchas (500) como mostrado na Figura 2 e na Figura 5; ("EM") é uma abreviação para "máquina elétrica". Entretanto, quando o motor de combustão (310) está em um estado desativado e a embreagem (330) está pelo menos parcialmente engatada provocando um torque de arraste (Tcl) , por exemplo, na região (630) na Figura 4, a Equação 2 (Eq. 2) descreve o torque disponível (Tdes) na entrada da caixa de marchas (500) : Tdes = Tb,EM - Tcl (Eq. 2)
[094] Por conseqüência, quando a embreagem (330) está totalmente desengatada tal que o acoplamento (K) = 0 %, Equação 3 (Eq. 3) descreve uma situação de tração elétrica pura no trem de tração (300) : Tdes = Tb,EM (Eq. 3)
[095] De maneira a conseguir dar partida de eixo de comando suavizada ao motor de combustão (310) quando a caixa de marchas (500) está engatada em marcha, a unidade de controle central (490) é operável para controle precisamente de excitação para a máquina elétrica (370) de maneira a conseguir um ponto de ajuste de torque (Tset,EM) definido pela Equação 4 (Eq. 4) :
Tset,EM = Tb,EM = Tdes + Tcl (Eq. 4)
[096] A presente invenção considerou que o torque (Tcl) acoplado através da embreagem (350), ("CL") sendo uma abreviação para "embreagem", pode ser mensurado com sensores de torque para implementação da presente invenção; entretanto, sensores de torque de alta precisão tendem a ser dispendiosos. Além do mais, a presente invenção considerou que o torque (Tcl) pode também ser estimado a partir do acoplamento (K) anteriormente mencionado definindo um grau de deslizamento entre placas da embreagem (330); entretanto, tal estimativa é difícil de ser precisamente determinada e é propensa a sofrer patinação à medida que a embreagem se desgasta (330). De maneira a proporcionar um método mais otimizado de mensuração do torque (Tcl) acoplado através da embreagem (330), a presente invenção considerou que o relacionamento na Equação 1 (Eq. 1) pode ser empregado proporcionado que momentos de inércia são conhecidos, a saber por mensuração de aceleração angular (dϖ/dt) . Por conseqüência, a partir das Equações 2 até 4, a Equação 5 (Eq. 5) pode ser derivada: Tcl = IICE * dϖiCE/dt — Tb,ICE = IICE * dϖICE/dt + Tfric,ICE — Tind,ICE (Eq. 5)
em que:
(Tfric,IcE) = fricção interna do motor de combustão (310) ; e
(Tind,ICE) = torque indicado desenvolvido pelo motor de
combustão (310);
em que "ICE" é uma abreviação para "motor de combustão interna".
[097] Por conseqüência, por conhecimento do momento de inércia do motor de combustão (310), arraste de fricção dentro do motor de combustão (310) e energia mecânica sendo entregue pelo motor de combustão (310) , e o torque (Tcl) pode ser computado para habilitar a unidade de controle central (490) sel etivamente para aplicar excitação para a máquina elétrica (370) em concordância com a Equação 4 para compensar quaisquer trancos de torque encontrados quando ativando o motor de combustão (310), por exemplo, provocados por sincronização súbita da embreagem (330) à medida que o motor de combustão (310) é ativado em operação para proporcionar torque de tração a partir do mesmo.
[098] Opcionalmente, o segundo procedimento pode também ser aplicado durante mudanças de marcha para conseguir uma característica muito suavizada a partir do trem de tração (300) quando ativando o motor de combustão (310) do mesmo.
[099] Ainda que o primeiro procedimento e o segundo procedimento para ativação do motor de combustão (310) tenham sido precedentemente descritos, desativação do motor de combustão (310) pode também resultar em vibrações na medida em que a freqüência de rotação de eixo do mesmo passa através de vários modos de ressonância mecânicos do motor de combustão (310). Opcionalmente, com a caixa de marchas (500) ajustada para neutro, a máquina elétrica (370) pode ser utilizada para aplicar uma forte força de frenagem regenerativa para trazer o eixo de saída (340) do motor de combustão (310) mais ou menos prontamente para um estado estacionário depois que o suprimento de combustível tenha sido interrompido para o motor de combustão (310) , em conseqüência disso reduzindo o período de transição a partir do estado ativado para o estado desativado em que os modos de vibração anteriormente mencionados podem ser excitados.
[100] Tal desaceleração rápida de rotação do eixo de saída (340) pode envolver utilização de energia recuperada pela máquina elétrica (370) para recarregar o elemento de armazenamento de energia (460).
[101] Como elucidado precedentemente, a unidade de controle central (490) é operável para computar utilização de uma simulação de balanceamentos de torque em concordância com a Equação 5 (Eq. 5) uma magnitude de trancos de torque surgindo no trem de tração (300) e utilização de desbalanceamentos de torque determinando surgimento de tais trancos de torque para derivar um sinal de controle adequado para determinação de energia instantânea a ser entregue para a máquina elétrica (370) para substancialmente negação e em conseqüência disso evitação de tais trancos de torque. Opcionalmente, a unidade de controle (490) é também operável para proporcionar amortecimento de torque como ilustrado esquematicamente na Figura 6 em que uma variação do trem de tração (300) anteriormente referido é indicada genericamente pelo numeral de referência (1000) . A variação do trem de tração (300) inclui sensores de taxa de rotação de eixo no eixo de saída (380) para sensoriamento da taxa de rotação (ϖem) , e no eixo de saída final (510) para sensoriamento de uma taxa de rotação de eixo de saída de tração (ϖsh) . Quando o motor de combustão (310) é um ou mais de dar partida de eixo de comando, dar partida e desativado, um torque (Ts,op) suprido no eixo de saída final (510) deveria idealmente não ser submetido a mudanças de torque abruptas, independentemente de se a caixa de marchas (500) está acoplada ou não, e situação (status) de acoplamento da embreagem (330) para provisão de uma característica de transmissão de energia totalmente suavizada.
[102] Opcionalmente, uma mola de torque angularmente submissa (1010) é incluída em linha com a embreagem (330). A mola de torque (1010) exibe uma diferença angular (Δϴ) entre os eixos (340, 350) proporcional para uma diferença instantânea entre os torques (Tb,ICE) e (Tb,EM) . Levando-se em consideração o torque (Tb,EM) gerado pela máquina elétrica (370) sendo rapidamente permutável em resposta para energia aplicada ao mesmo, a taxa de rotação (ϖem) pode ser sensoriada, por exemplo, utilizando um tacômetro óptico ou sensor rotacional de indução, e realimentar negativamente na unidade de controle (490) por intermédio de uma função de realimentação (F1) para provocar que a máquina elétrica (370) venha a manter uma taxa de rotação de mudança relativamente suavizada (ϖem) em resposta para mudanças súbitas no torque (Tb,ICE) suprido por intermédio da embreagem (330) a partir do motor de combustão (310). Opcionalmente, a função (F1) é uma função de realimentação de derivada-integral-proporcional (PID) ainda que outras funções de realimentação possam alternativamente ser empregadas. Quando uma função de realimentação (PID) é empregada para a função (F1) com coeficientes proporcionais, integrais e de diferenças (Cp) , (CI), (Cd), estes coeficientes podem ser individualmente controlados na unidade de controle central (490) e são opcionalmente dinamicamente variáveis em resposta para condições de operação do trem de tração (1000) . Levando-se em consideração o sensor utilizado para mensurar a taxa de rotação (ϖem) sendo montado com respeito ao mesmo eixo como um rotor da máquina elétrica (370) , recuo instantâneo e retardo de propagação rotacional não são substancialmente encontrados. Opcionalmente, de maneira a adicionalmente aumentar a suavidade em resposta ao trem de tração (1000), um sensor de taxa de rotação adicional é incluído para monitoramento da taxa de rotação (ϖsh) que é realimentada negativamente por intermédio da função de realimentação (F2) para provocar que a máquina elétrica (370) venha a manter uma taxa de rotação de mudança relativamente suavizada (ϖεμ) em resposta para mudanças súbitas no torque (Tb, ice) suprido por intermédio da embreagem (330) a partir do motor de combustão (310).
[103] Levando-se em consideração recuos potencialmente ocorrendo na caixa de marchas (500), a função de realimentação (F2) é beneficamente disposta para exibir uma constante de tempo mais longa do que a função de realimentação (F1). Opcionalmente, a função de realimentação (F2) é também uma função de realimentação de derivada-integral-proporcional (PID) ainda que outras funções de realimentação possam alternativamente ser empregadas. Quando uma função de realimentação (PID) é empregada para a função de realimentação (F2) com coeficientes proporcionais, integrais e de diferenças (Cp) , (Ci) , (Cd) , estes coeficientes podem ser individualmente controlados na unidade de controle central (490) e são opcionalmente dinamicamente variáveis em resposta para condições de operação do trem de tração (1000) .
[104] Opcionalmente, uma ou mais das funções de realimentação (F1, F2) são implementadas utilizando software executável em hardware de computação da unidade de controle central (490) . Mais opcionalmente, coeficientes de realimentação, a saber fatores de ganho, empregados para implementação de uma ou mais das funções de realimentação (F1, F2) são dinamicamente variáveis em resposta para partida e parada do motor de combustão (310) e/ou em resposta para mudança de marcha na caixa de marchas (500) . Por conseqüência, por emprego de uma disposição de realimentação como representada na Figura 6, trancos de torque resultantes a partir de partida e parada do motor de combustão (310) são susceptíveis de serem pelo menos parcialmente compensados pela máquina elétrica (370) enquanto se evitando qualquer tendência para excitar oscilações dinâmicas em taxas de rotação de eixo.
[105] Como elucidado precedentemente, com referência para a Equação 5 (Eq. 5), a unidade de controle central (490) é operável para empregar uma computação de balanceamento de torque (Mexp) para determinação de um torque instantâneo o mais adequado para ser proporcionado a partir da máquina elétrica (370) para compensação pelo menos parcialmente para trancos de torque surgindo a partir de partida e parada do motor de combustão (310) , opcionalmente assistidas por deslizamento ocorrendo na embreagem (330). Tal compensação utilizando computações fundamentadas sobre o balanceamento de torque na Equação 5 (Eq. 5) pode ser suplementada por realimentação para compensação para variações de torque súbitas como representadas na Figura 6 e como elucidadas precedentemente para obtenção de performance superlativa.
[106] Referindo-se à Figura 7, a unidade de controle central (490) é disposta para implementação de uma função de controle de realimentação substancialmente como ilustrado; uma representação alternativa da função de controle é proporcionada na Figura 8 por intermédio de exemplo. Parâmetros de entrada (P1) para a unidade de controle (490) podem incluir um ou mais de:
  • (a) uma demanda de energia por um operador do trem de tração (300, 1000); por exemplo, quando o trem de tração (300, 1000) é montado em um veículo para propulsão do veículo, a demanda de energia corresponde para um grau para o qual um motorista do veículo pressiona um pedal de acelerador do veículo;
  • (b) uma relação de marcha selecionada pelo operador, por exemplo, uma marcha preferida e/ou uma instrução para aumentar ou reduzir uma marcha da caixa de marchas (500);
  • (c) uma carga a ser tracionada pelo trem de tração (300, 1000); por exemplo, quando o trem de tração (300, 1000) é montado para propulsão de um veículo, uma carga sendo transportada pelo veículo, por exemplo, um número de pessoas sendo transportadas em ônibus (isto é, se o ônibus está totalmente carregado ou levemente carregado), é um parâmetro de operação útil para a unidade de controle (490) utilizar;
  • (d) um terreno sobre o qual o trem de tração (300, 1000) quando configurado para propulsão de um veículo; opcionalmente, o veículo é proporcionado com um sensor de posicionamento global (GPS) que é operável para determinação de uma posição de (GPS) do veículo sobre a superfície da Terra, a unidade de contro le (490) sendo proporcionada com acesso para uma base de dados de mapa para determinação a partir da posição de (GPS) de um perfil de gradiente (inclinação) sobre o qual o veículo está trafegando e/ou uma indicação de manobras de direção que é brevemente requerida para que o veículo venha a empreender; a unidade de controle (490) é beneficamente programada para antecipar mudanças de marcha e/ou um requerimento para automaticamente parada ou partida do motor de combustão (310) de maneira a proporcionar o veículo com uma característica de torque de tração suavizada otimizada para as rodas do mesmo substancialmente isentas de quaisquer trancos de torque surgindo a partir de parada e partida do motor de combustão (310) ; opcionalmente, a unidade de controle (490) é operável para monitoramento da posição de (GPS) em intervalos regulares para determinação se a posição de (GPS) corresponde ou não, por exemplo, por referência para uma base de dados, para quaisquer condições ou restrições especiais, tais como zonas de ar limpo em que o trem de tração (300, 1000) é restrito a funcionamento utilizando somente a máquina elétrica (370) com o motor de combustão (310) no estado inativado dentro da zona de ar limpo;
  • (e) um ângulo de direção de veículo quando o trem de tração (300, 1000) está montado sobre um veículo para propulsão do veículo;
  • (f) uma demanda de frenagem quando o trem de tração (300, 1000) está montado sobre um veículo para propulsão do veículo, a demanda de frenagem sendo utilizada para reduzir uma velocidade do veículo; opcionalmente, tal frenagem é implementada como frenagem regenerativa para armazenamento de energia cinética do veículo como energia armazenada no elemento de armazenamento de energia (460); a unidade de controle (490) é operável para controlar um fluxo de energia a partir da máquina elétrica (370) para o elemento de armazenamento de energia (460) .
[107] A unidade de controle (490) inclui uma função computacional de diferença de parâmetros múltiplos (1020) para recepção dos parâmetros de entrada (P1) , e para aplicação de uma primeira transformação de matriz (K1) em intervalos temporais para os parâmetros de entrada (P1) para geração de correspondentes primeiros parâmetros intermediários (Pmi,t) como descritos pela Equação 7 (Eq. 7):
[Pmi,t] = [K1][Pi(t)] (Eq. 7)
[108] Além do mais, a unidade de controle (490) inclui na função computacional (1020) uma entrada para parâmetros de realimentação simbolizados por (Rk) . Os parâmetros de realimentação (Rk) incluem um ou mais de:
  • (g) taxas de rotação de um ou mais dos eixos (340, 350, 380, 510);
  • (h) se o motor de combustão (310) está em operação ou não e consumindo combustível;
  • (g) um ajustamento da embreagem (330) levando-se em consideração acoplamento de ponta a ponta e deslizamento ocorrendo na mesma;
  • (h) um grau de energia sendo entregue para, ou gerado pela, máquina elétrica (370) ; e
  • (i) um torque sendo entregue no eixo (510) , por exemplo, como sensoriado por utilização de um sensor de torque montado no mesmo.
[109] A função computacional de diferença de parâmetros múltiplos (1020) é adicionalmente operável para aplicação de uma segunda matriz de transformação (K2) em intervalos temporais para os parâmetros de realimentação (Rk) para geração dos segundos correspondente parâmetros intermediários (Rmi,t) como descritos pela Equação 8 (Eq. 8) :
[Rmi,t] = [K2][RK(t)] (Eq. 8)
[110] O primeiro parâmetro intermediário e o segundo parâmetro intermediário são então proporcionados para uma representação de modelo da Equação 5 (Eq. 5), a saber uma simulação de torque, descrevendo um balanceamento de torques dentro do trem de tração (300, 1000) . Parâmetros de erro (Qi) são gerados por uma função de subtração de parâmetros múltiplos (1050) como representados pela Equação 9 (Eq. 9) utilizando a equação de balanceamento de torque anteriormente referida (Eq. 5) :
Qi= {Mexp (t)][Pmi,t] — [Rmi,t]} (Eq. 9)
[111] Os parâmetros de erro (Q±) são empregados para tracionar a caixa de marchas (500) , a máquina elétrica (370), a embreagem (330) , o motor de combustão (310) e também opcionalmente parâmetros de amortecimento para realimentação como uma função de tempo (t) como representados na Figura 6.
[112] Por utilização de tal controle de realimentação sofisticado na unidade de controle central (490) , performance do trem de tração (300, 1000) pode ser consideravelmente reforçada, especialmente levando-se em consideração neutralização mais precisamente de trancos de torque gerados quando o motor de combustão (310) é periodicamente ativado e subseqüentemente desativado.
[113] A operação de um veículo incluindo um dos trens de tração (300, 1000) irá agora ser descrita por intermédio de exemplo.
[114] Em um primeiro exemplo, o veículo está trafegando ao longo de uma estrada cuja superfície de estrada é substancialmente horizontal, o veículo sendo impulsionado unicamente pela máquina elétrica (370) proporcionada com energia a partir do elemento de armazenamento de energia (460) . Um motorista do veículo adicionalmente pressiona um pedal de acelerador do veículo provocando que a unidade de controle (490) venha a aplicar mais energia para a máquina elétrica (370).
[115] Quando a máquina elétrica (370) se aproxima de sua taxa de rotação permissível máxima, a unidade de controle (490) desacopla a caixa de marchas (500) a partir da máquina elétrica (370) , e após isso utiliza a máquina elétrica (370) para dar partida de eixo de comando ao motor de combustão (310) para trazer o motor de combustão (310) para seu estado ativo. Posteriormente, a unidade de controle (490) instrui a caixa de marchas (500) para permutar ascendentemente uma marcha e após isso engatar a máquina elétrica (370) agora rotativamente acoplada por intermédio da embreagem (330) para o motor de combustão (310) em seu estado ativo. Levando-se em consideração partida do motor de combustão (310) utilizando a máquina elétrica (370) enquanto a caixa de marchas (500) está desengatada, trancos de torque não são substancialmente experimentados pelo motorista do veículo.
[116] Em um segundo exemplo se referindo ao veículo, o veículo está trafegando ao logo de uma estrada em uma direção de subida de encosta, enquanto sendo impulsionado unicamente pela máquina elétrica (370) . Um motorista do veículo adicionalmente pressiona o pedal de acelerador. A partir da posição de (GPS) do veículo, a unidade de controle (490) determina a partir da posição de (GPS) referida para uma base de dados de mapa que o veículo está se aproximando de um cume de uma encosta com uma longa descida em declive depois da mesma. A unidade de controle (490) computa a mesma para ser benéfica para continuar impulsionando o veículo utilizando unicamente a máquina elétrica (370) e mudando a caixa de marchas (500) para uma marcha ascendente em resposta para o pedal de acelerador sendo adicionalmente pressionado. O veículo imediatamente se aproxima do cume da encosta e acelera depois da descida em declive tal que a máquina elétrica (370) é utilizada pela unidade de controle (490) como um freio regenerativo para carga do elemento de armazenamento de energia (460) e por intermédio disso prevenindo que o veículo venha a atingir velocidade excessiva como um resultado de força gravitacional. Quando o veículo se aproxima de uma região mais baixa da descida em declive da encosta, a unidade de controle (490) então eventualmente decide dar partida ao motor de combustão (310) utilizando momento adquirido pelo veículo trafegando descendo a encosta com a máquina elétrica (370) operável para compensação de quaisquer trancos de torque instantâneos surgindo na medida em que o motor de combustão (310) consegue seu estado ativo. A unidade de controle (490) consegue por intermédio disso tirar vantagem a partir de uma necessidade para operar o motor de combustão (310) quando se aproximando do topo da encosta e subseqüentemente trafegando descendo a encosta.
[117] A presente invenção tem, em conseqüência disso, não somente capacidade de redução de desgaste para o motor de combustão (310) , mas também de redução de consumo de combustível total do veículo. Ainda que trancos de torque sejam o mais efetivamente evitados por ativação do motor de combustível (310) enquanto a caixa de marchas (500) está desengatada a partir da máquina elétrica (370) , irá ser evidenciado que a unidade de controle (490) tem também capacidade de redução de uma magnitude perceptível de trancos de torque ocorrendo quando ao motor de combustão (310) se dá partida por intermédio da embreagem (330) simultaneamente com tração sendo acoplada por intermédio da caixa de marchas (500) para propulsão do veículo; a magnitude é conseguida por compensação de torque fundamentada sobre uma computação de torque desempenhada substancialmente em concordância com a Equação 5 (Eq. 5) no precedentemente descrito. O peso do veículo é também um fator importante determinando uma carga requerida para ser rebocada ascendentemente e bem como determinando uma quantidade de energia que pode ser obtida por aplicação de frenagem regenerativa e é, portanto, um parâmetro útil para ser proporcionado como entrada para a unidade de controle (490) . O peso do veículo pode ser beneficamente determinado por sensores de resistência associados com disposições de suspensão do veículo.
[118] Ainda que a presente invenção tenha sido descrita precedentemente levando-se em consideração os trens de tração (300, 1000), deverá ser evidenciado que a presente invenção não está limitada para a utilização em uma tal configuração e pode ser adaptada para a utilização com outras configurações de trem de tração. Modificações para concretizações da presente invenção precedentemente descritas são, por conseqüência, possíveis sem se afastar a partir do escopo de proteção da presente invenção como definido pelas reivindicações de patente acompanhantes.
[119] A unidade de controle central (490) é implementada como configuração de um ou mais computadores acoplados com os trens de tração (300, 1000) como ilustrado nas Figuras 2 até 8 com a descrição associada precedentemente apresentada. Opcionalmente, a unidade de controle (490) corresponde para arranjos (fileiras) de processadores de dados espacialmente dispostos em torno dos trens de tração (300, 1000), o arranjo de processadores sendo mutuamente interconectado por intermédio de redes de comunicação, por exemplo, por intermédio de um bus de dados CAN ou similar. Além do mais, a unidade de controle centra l (490) é operável para execução de um ou mais produtos de software para implementação da presente invenção. Adicionalmente, a unidade de controle (390) beneficamente inclui uma interface para recepção de tais um ou mais produtos de software a partir de uma fonte externa para os trens de tração (300, 1000) , por intermédio disso garantindo que a unidade de controle central (490) venha a ser remotamente atualizável (upgradable) com novas versões dos um ou mais produtos de software. A interface pode ser implementada como um conector elétrico para recepção de uma memória somente de leitura de estado sólido (ROM), um disco óptico, um disco magnético funcionando como um suporte de dados para os um ou mais produtos de software. Alternativamente, ou adicionalmente, a interface inclui uma conexão (link) de comunicação sem fio habilitando um ou mais produtos de software para serem "baixados" (downloaded) para a unidade de controle central (490) por intermédio de um sinal sem fio de suporte de dados, por exemplo, por intermédio de redes de comunicação de servidor de Blue Tooth ou telefone móvel (telefone celular). Opcionalmente, um ou mais produtos de software podem ser "baixados" para a unidade de controle centra (490) por intermédio de uma rede de comunicação de dados, por exemplo, por intermédio da internet.
[120] Ainda que a utilização dos trens de tração (300, 1000) tenha sido descrita precedentemente levando-se em consideração veículos, por exemplo, ônibus e caminhões, deverá ser evidenciado que os mesmos podem ser empregados também em outros tipos de sistemas, por exemplo, veículos de passageiros, bondes elétricos, trens, embarcações, navios e sistemas de entrega de energia estacionários.
[121] Expressões tais como "incluindo", "compreendendo", "incorporando", "consistindo de", "possui/em", "é/são" utilizadas para descrição e reivindicação da presente invenção são intencionadas para serem construídas de uma maneira não exclusiva ou não exaustiva, a saber possibilitando para itens, componentes ou elementos não explicitamente descritos, mas que também estão presentes. Referência ao singular é também construída para se referir ao plural.
[122] Numerais incluídos entre parâmetros nas reivindicações de patente acompanhantes são intencionados para auxiliar a compreensão (o entendimento) das reivindicações de patente e não deveriam ser construídos de qualquer maneira para limitação de matéria reivindicada por estas reivindicações de patente acompanhantes subseqüentemente.

Claims (16)

  1. Trem de tração híbrido (300, 1000) incluindo:
    • • um motor de combustão (310);
    • • uma disposição de máquina elétrica (360);
    • • uma caixa de marchas (500) operável para receber força motriz a partir de pelo menos um do motor de combustão (310) e da disposição de máquina elétrica (360) para provisão de correspondente força motriz para uma carga (530);
    • • uma unidade de controle (490) acoplada em comunicação com o motor de combustão (310) , a disposição de máquina elétrica (360) e a caixa de marchas (500) para controle de suas operações;
    • • em que o trem de tração (300, 1000) é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão (310) é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, referido motor de combustão (310) requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo;
    • • a unidade de controle (490) incluindo entradas múltiplas para recepção de sinais de realimentação derivados a partir do trem de tração (300, 1000) e sinais de comando para o trem de tração (300, 1000) e saídas múltiplas para sinais de saída saindo para operação de controle do trem de tração (300, 1000); e
    • • a unidade de controle (490) adicionalmente incluindo hardware de computação operável para executar uma simulação de torque do trem de tração (300, 1000), a simulação sendo aplicável em operação para processar informação proporcionada nas entradas múltiplas para computar uma compensação, a unidade de controle (490) sendo operável para aplicar a compensação nas saídas múltiplas para reduzir uma amplitude de tranco de torque ocorrendo em operação no trem de tração (300, 1000) quando o motor de combustão (310) é permutado entre seu estado ativo e seu estado inativo, caracterizado pelo fato de que a aplicação de torque de eixo de comando para o motor de combustão (310) é controlada em operação pela unidade de controle (490) para temporariamente coincidir com uma mudança de marcha na caixa de marchas (500).
  2. Trem de tração (300, 1000), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, enquanto a caixa de marchas (500) está em um estado de acoplamento neutro, o motor de combustão (310) é operável para dar partida de eixo de comando por desaceleração da disposição de máquina elétrica (360) para uma parada, acoplamento pelo menos parcialmente rotativamente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional (330) do motor de combustão (310) para a disposição de máquina elétrica (360) , aplicando excitação para a disposição de máquina elétrica (360) para aceleração rotativamente da mesma e, em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão (310) para uma taxa de rotação de limiar, e após isso aplicando um suprimento de combustível para o motor de combustão (310) para trazer o motor de combustão (310) para um estado ativo.
  3. Trem de tração (300, 1000), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, enquanto a caixa de marchas (500) está em um estado de acoplamento neutro, o motor de combustão (310) é operável para dar partida de eixo de comando por manutenção da disposição de máquina elétrica (360) em um estado de rotação, acoplamento pelo menos parcialmente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional (330) do motor de combustão (310) para a disposição de máquina elétrica (360) para transferir torque a partir da mesma para o motor de combustão (310) , em conseqüência disso, aceleração do motor de combustão (310) para uma taxa de rotação de limiar, e após isso aplicando um suprimento de combustível para o motor de combustão (310) para trazer o motor de combustão (310) para um estado ativo.
  4. Trem de tração (300, 1000), de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a disposição de acoplamento rotacional (330) inclui uma embreagem deslizante (330) operável para proporcionar uma característica de acoplamento de torque constante através de pelo menos parte de sua faixa de deslizamento (630).
  5. Trem de tração (300, 1000), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a disposição de acoplamento rotacional (330) do trem de tração (300) inclui uma embreagem (330) acoplável entre o motor de combustão (310) e a disposição de máquina elétrica (360) .
  6. Trem de tração (300, 1000), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a disposição de máquina elétrica (360) é acoplada por intermédio de uma disposição em série da embreagem (330) e um acoplamento de torque rotativamente complacente (1010) para o motor de combustão (310) .
  7. Trem de tração (300), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um ou mais eixos rotacionais (340, 350, 380) do motor de combustão (310) e da disposição de máquina elétrica (360) são proporcionadas com um ou mais sensores acoplados para a unidade de controle (490) para determinação de uma mensuração de torque acoplado para o motor de combustão (310) quando se dá partida de eixo de comando ao motor de combustão (310) e provocando que o mesmo venha a ser ativado, tal mensuração de torque sendo processada pela unidade de controle (490) por provisão de controle da disposição de máquina elétrica (360) para compensação pelo menos parcialmente de quaisquer mudanças abruptas em torque ocorrendo no trem de tração (300) .
  8. Trem de tração (300) , de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que um ou mais sensores são implementados como sensores de taxa de rotação para mensuração de taxa de rotação de seus um ou mais eixos (340, 350, 380), a mensuração de torque sendo computada pela unidade de controle (490) a partir de momentos de inércia de partes componentes do trem de tração (300) e a partir de aceleração angular temporariamente computada a partir de uma ou mais taxas de rotação mensuradas.
  9. Veículo, caracterizado pelo fato de que inclui um trem de tração híbrido (300) conforme definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.
  10. Veículo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que é selecionado a partir do grupo constituído de: um ônibus, um caminhão, um veículo de construção, uma van, um veículo de passageiros, uma embarcação, um navio, uma máquina estacionária, ou qualquer tipo de veículo para o qual é requerido em operação exibir aceleração relativamente alta em uma maneira de tração de parada/partida.
  11. Método para controle de um trem de tração
    híbrido (300) incluindo:
    • • um motor de combustão (310);
    • • uma disposição de máquina elétrica (360);
    • • uma caixa de marchas (500) operável para receber força rotacional a partir de um ou mais do motor de combustão (310) e da disposição de máquina elétrica (360), e para provisão de força motriz para uma carga (530);
    • • uma unidade de controle (490) acoplada em comunicação com o motor de combustão (310) , a disposição de máquina elétrica (360) e a caixa de marchas (500) para controle de suas operações;
    • • em que o trem de tração (300) é configurável em operação de maneira que seu motor de combustão (310) é permutável entre um estado inativo e um estado ativo, referido motor de combustão (310) requerendo dar partida de eixo de comando para permutar o mesmo a partir de seu estado inativo para seu estado ativo; o método incluindo as etapas de:
    • • receber sinais de realimentação derivados a partir do trem de tração (300, 1000) e sinais de comando em entradas múltiplas da unidade de controle (490) , e sinais de saída saindo em saídas múltiplas do trem de tração (300, 1000) para controle de operação do trem de tração (300, 1000) ; e
    • • aplicar na unidade de controle (490) uma simulação de torque do trem de tração (300, 1000) executável sobre hardware de computação da unidade de controle (490), a simulação sendo aplicável em operação para processar informação proporcionada nas entradas múltiplas para computar uma compensação, a unidade de controle (490) sendo operável para aplicar a compensação nas saídas múltiplas para reduzir uma amplitude de tranco de torque ocorrendo em operação no trem de tração (300, 1000) quando o motor de combustão (310) é permutado entre seu estado ativo e seu estado inativo, caracterizado pelo fato do método incluir adicionalmente a etapa de: controlar a aplicação de torque de eixo de comando para o motor de combustão (310) para temporariamente coincidir com uma mudança de marcha na caixa de marchas (500) .
  12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de incluir as etapas de:
    • (a) iniciar uma mudança de marcha por torque de redução suprido para a caixa de marchas (500) e após isso colocar a caixa de marchas (500) em seu estado neutro;
    • (b) controlar a aplicação de torque de partida de eixo de comando para o motor de combustão (310) para temporariamente coincidir com a caixa de marchas (500) estando no estado neutro, o torque de partida de eixo de comando e suprimento de combustível para o motor de combustão (310) sendo operável para provocar que o motor de combustão (310) venha a ser ativado; e
    • (c) engatar a caixa de marchas (500) para a marcha e após isso aumentar o torque suprido para a caixa de marchas (500) .
  13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que incluiR as etapas adicionais de:
    • (d) enquanto a caixa de marchas (500) está em um estado de acoplamento neutro, dar partida de eixo de comando ao motor de combustão (310) por desaceleração da disposição de máquina elétrica (360) para uma parada;
    • (e) acoplar pelo menos parcialmente por intermédio de uma disposição de acoplamento rotacional (330) o motor de combustão (310) para a disposição de máquina elétrica (360) ;
    • (f) aplicar excitação a disposição de máquina elétrica (360) para acelerar rotativamente a disposição de máquina elétrica (360) e, em consequência disso, acelerar o motor de combustão (310) para uma taxa de rotação de limiar; e após isso
    • (g) aplicar um suprimento de combustível para o motor de combustão (310) para trazer o motor de combustão (310) para um estado ativo.
  14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de incluir as etapas adicionais de:
    • (h) enquanto a caixa de marchas (500) está em um estado de acoplamento neutro, dar partida de eixo de comando ao motor de combustão (310) por manutenção da disposição de máquina elétrica (360) em um estado de rotação;
    • (i) acoplar pelo menos parcialmente por intermédio da disposição de acoplamento rotacional (330) do motor de combustão (310) a disposição de máquina elétrica (360) para transferir torque a partir da disposição de máquina elétrica (360) para o motor de combustão (310) , em consequência disso, acelerar o motor de combustão (310) para uma taxa de rotação de limiar; e após isso
    • (j) aplicar um suprimento de combustível ao motor de combustão (310) para trazer o motor de combustão (310) para um estado ativo.
  15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a disposição de acoplamento rotacional (330) inclui uma embreagem deslizante (330) operável para proporcionar uma característica de acoplamento de torque constante através de pelo menos parte de sua faixa de deslizamento (640) .
  16. Trem de tração (300), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a unidade controle (490) é operável para aplicar compensação a disposição de máquina elétrica (360).
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