BRPI0901453A2 - veìculo e métodos de operar um veìculo e uma máquina mecánica - Google Patents

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Alan D Sheidler
James W Musser
Peter Finamore
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Deere & Co
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Abstract

VEìCULO E MéTODOS DE OPERAR UM VEìCULO E UMA MáQUINA MECáNICA. é descrito um veículo que inclui urna unidade de potência acoplável mecanicamente a uma ou mais cargas primárias, incluindo uma carga de propulsão. Pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico tem uma saída elétrica que é acoplável a pelo menos uma carga externa durante um período de tempo de acionamento. Cada carga externa é distinta de uma ou mais cargas primárias. Um gerador é acoplável mecanicamente na unidade de potência e eletricamente acoplável a pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico. O gerador tem uma saída de carregamento elétrico para o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico. Pelo menos um circuito de processamento elétrico é configurado para acoplar seletivamente o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico a uma ou mais cargas externas. O pelo menos um circuito de processamento elétrico é também configurado para acoplar seletivamente o gerador a pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico durante um período de tempo de carregamento. A saída de carregamento e o período de tempo de carregamento dependem da saída elétrica do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento.

Description

"VEÍCULO E MÉTODOS DE OPERAR UM VEÍCULO E UMA MÁQUINA MECÂNICA"
Campo Da Invenção
A presente invenção diz respeito a veículos acionados pormotores e, mais particularmente, a veículos tais como máquinas mecânicasincluindo um motor de combustão interna que pode ser usado para acionarcargas primárias e externas.
Fundamentos Da Invenção
Um veículo tal como uma máquina mecânica na forma de umamáquina mecânica de construção, uma máquina mecânica agrícola ou umamáquina mecânica florestal, tipicamente inclui uma unidade de potência naforma de um motor de combustão interna (IC). O motor IC pode ser tanto naforma de um motor de ignição por compressão (isto é, motor diesel) quantoum motor de ignição a vela (isto é, motor a gasolina). Para a maioria dasmáquinas mecânicas pesadas, a unidade de potência é na forma de um motordiesel com melhores características de rateio, empuxo e torque para operaçõesde trabalho associadas.
O impacto da carga em um motor IC pode ser o resultado deuma carga no trem de acionamento (por exemplo, um implemento reboadopela máquina mecânica) ou uma carga externa (isto é, uma carga sem ser dotrem de acionamento). Cargas externas podem ser classificadas incluindotanto cargas parasitas como auxiliares. Cargas parasitas são cargas sem ser dotrem de acionamento colocadas em um motor pela operação normal damáquina mecânica, sem intervenção do operador (por exemplo, um ventiladorde resfriamento do motor, uma bomba do circuito de resfriamento do óleohidráulico, etc). Cargas auxiliares são cargas sem ser do trem de acionamentocolocadas em um motor pela intervenção seletiva do operador (por exemplo,uma carga hidráulica auxiliar tal como um trado de descarga em umacombinada, uma carregadeira da extremidade dianteira, um acessório deescavadeira, etc).
As demandas de melhor desempenho e economia decombustível aumentarão significativamente as máquinas mecânicas napróxima década, isto será complicado pela implementação de dispositivospara reduzir emissões. É de se esperar que crescente tamanho e produtividadede máquinas mecânicas resulte em uma demanda de energia maior do queserá disponível a partir de motores de combustão interna simples econômicos.Isto impulsionará o desenvolvimento de veículos usando motores industriaismuito grandes, pesados e caros. A complexidade e custo de tais motorespodem ser proibitivos e restringir a implementação de maquinário de maiorcapacidade.
Sumário Da Invenção
A invenção em uma forma está voltada para um veículo comuma unidade de potência acoplável mecanicamente a uma ou mais cargasprimárias, incluindo uma carga de propulsão. Pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico tem uma saída elétrica que é acoplável a pelo menosuma carga externa em um período de tempo de acionamento. Cada cargaexterna é distinta de uma ou mais cargas primárias. Um gerador émecanicamente acoplável na unidade de potência e eletricamente acoplávelem pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico. O gerador temuma saída de carga elétrica para pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico. Pelo menos um circuito de processamento elétrico éconfigurado para acoplar seletivamente o pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico a uma ou mais cargas externas. O pelo menos umcircuito de processamento elétrico é também configurado para acoplarseletivamente o gerador no pelo menos um dispositivo de armazenamentoelétrico por um período de tempo de carga. A saída de carga e o período detempo de carga dependem da saída elétrica do pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento.A invenção em uma outra forma está voltada para um métodode operação de um veículo, incluindo as etapas de: acionar mecanicamentepelo menos uma carga primária com uma unidade de potência, a pelo menosuma carga primária incluindo uma carga de propulsão; acionarmecanicamente um gerador elétrico usando a unidade de potência; acionareletricamente pelo menos uma carga externa usando pelo menos umdispositivo de armazenamento elétrico, cada carga externa sendo distinta deuma ou mais cargas primárias; e controlar o gerador para carregar o pelomenos um dispositivo de armazenamento elétrico dependendo de um ciclo detrabalho médio da pelo menos uma carga externa.
A invenção em uma outra forma está voltada para um métodode operação de um veículo, incluindo as etapas de: acionar mecanicamentepelo menos uma carga primária com uma unidade de potência, a pelo menosuma carga primária incluindo uma carga de propulsão; acionar mecanicamente um gerador elétrico usando a unidade de potência, o geradortendo uma saída de carga elétrica; acionar eletricamente pelo menos umacarga externa usando uma saída elétrica de pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico em um período de tempo de acionamento, cada cargaexterna sendo distinta da uma ou mais cargas primárias; e controlar o gerador para carregar o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico em umperíodo de tempo de carga, a saída de carga e o período de tempo de cargadependendo da saída elétrica do pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento.
Descrição Resumida Dos Desenhos
A figura 1 é uma ilustração esquemática de uma modalidadede um veículo da presente invenção;
As figuras 2A e 2B são uma ilustração esquemática de umamodalidade particular de um veículo da presente invenção na forma de umacombinada agrícola; eA figura 3 é um fluxograma de uma modalidade de um métodode operação de um veículo da presente invenção.
Descrição Detalhada Da Invenção
Veículos podem usar tecnologia de motor elétrico IC híbridocom uma bateria de armazenamento para suplementar o motor de combustãointerna com intensificação de energia elétrica. Espera-se que isto funcionemuito bem, mas a intensificação da energia elétrica somente é disponível paraperíodo de tempo relativamente curtos. A quantidade de tempo disponívelpara intensificação elétrica é determinada pelo tamanho da bateria. Bateriascom capacidade suficiente para prover níveis sustentados de intensificação deenergia necessariamente serão grandes, pesadas e caras, limitando assim suapraticidade.
Uma outra vantagem com híbridos intensificados por bateriasé a capacidade de operar acionamentos elétricos com parada do motor IC. Porexemplo, os HVAC, luzes, compressores pneumáticos, ventiladores derefrigeração, sistemas de descarregamento de tanque graneleiro, etc,poderiam ser operados sem a necessidade de dar partida no motor IC. Aduração de tempo que esses acionamentos podem ser operados com o motordesligado é limitada, novamente, pelo tamanho da bateria. Baterias grandes obastante para realizar um trabalho significativo por períodos de tempoprolongados com o motor desligado podem ser muito grandes, pesadas e caraspara ser práticas.
A presente invenção aqui descrita fornece um veículo, talcomo uma máquina mecânica, e método de operação correspondente comcapacidade de potência sustentada e aumentada para cargas externas (tal comoum sistema de descarregamento de grãos limpos) com muitas das vantagensde híbridos de motor elétrico IC, ainda atendendo as exigências de emissõescada vez mais rigorosas.
Referindo-se agora à figura 1, está mostrada uma ilustraçãoesquemática de uma modalidade de um veículo 10 da presente invenção. Compropósitos de ilustração e discussão, o veículo 10 é considerado uma máquinamecânica, tal como uma máquina mecânica agrícola, de construção, florestal,de mineração ou industrial. Entretanto, deve-se entender que o veículo 10 poderia ser um tipo diferente de veículo, tal como um carro de passageiros,caminhão, semitrator, etc.
O veículo 10 inclui uma unidade de potência na forma de ummotor IC 12 que tipicamente inclui um virabrequim de saída 14 que é parte deum trem de acionamento, com uma saída nominal que aciona uma ou maiscargas primárias 16. A(s) carga(s) primária(s) inclui(m) uma carga depropulsão para impulsionar seletivamente o veículo 10 no terreno. Com estafinalidade, um IVT 18 na forma de uma transmissão hidrostática pode serencaixado/desencaixado seletivamente do virabrequim 14, e fornece forçamotriz a uma ou mais rodas de acionamento 20. Certamente, percebe-se que,no caso de um veículo mecânico tipo esteira, o virabrequim 14 pode seracoplado a uma esteira de encaixe no terreno.
Na modalidade mostrada, a unidade de potência é consideradaum grande motor diesel usado em uma máquina mecânica, mas poderia serconfigurado de forma diferente para outras aplicações. Por exemplo, a unidade de potência poderia também ser um motor a gasolina, motor apropano, etc. Como um exemplo adicional, se o veículo 10 for configuradocomo um carro de passageiros, pode ser possível configurar a unidade depotência 10 como um motor elétrico que fornece força tratora a uma ou maisrodas de encaixe no terreno.
O motor IC 12 também aciona mecanicamente um gerador 22que fornece uma saída elétrica. O gerador 22 é eletricamente acoplado empelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, que pode ser na formade uma ou mais baterias e/ou um ou mais capacitores. Com propósitos dediscussão, o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico seráconsiderado inúmeras baterias que são tipicamente conectadas umas nasoutras como um banco de baterias 24 com uma tensão de saída pré-selecionada e uma amp*hora nominal. A potência do banco de baterias 24pode ser aplicada como energia CC, ou invertida e aplicada como energia CA.
Um ou mais motores 26 são seletivamente acoplados no bancode baterias 24 e acionado por ele. Motores 26 por sua vez podem ser usadospara acionar uma ou mais cargas externas 28, que incluem uma ou maiscargas auxiliares 30, e podem incluir uma ou mais cargas parasitas 32. Cargasauxiliares 30 são cargas hidráulicas ou elétricas sem ser do trem deacionamento colocadas no motor IC 12 através da intervenção seletiva dooperador (por exemplo, uma carga hidráulica auxiliar tal como um trado dedescarga em uma combinada, uma carregadeira de frente, um acessório deescavadeira, etc). Cargas parasitas 32 são cargas sem ser do trem deacionamento colocadas sobre o motor IC 12 pela operação normal da máquinamecânica, sem intervenção do operador (por exemplo, um ventilador deresfriamento do motor acionado eletricamente associado com o motor IC 12,etc).
A operação do veículo 10 é pelo controle de pelo menos umcircuito de processamento elétrico 34. Quando o veículo 10 é configuradocomo uma máquina mecânica, como mostrado na figura 1, o circuito deprocessamento elétrico é tipicamente na forma de múltiplos controladores quecomunicam uns com os outros e controlam diferentes partes da máquinamecânica. Mais particularmente, uma unidade de controle do motor (ECU) 36controla eletronicamente a operação do motor IC 12, e é acoplada a umapluralidade de sensores (não especificamente mostrados) associada com aoperação do motor IC 12. Por exemplo, a ECU 36 pode ser acoplada a umsensor que indica parâmetros de controle do motor tal como vazão de ar emum ou mais coletores de admissão, velocidade do motor, taxa de alimentaçãode combustível e/ou sincronismo, taxa de recirculação de gás de exaustão(EGR), posição da pá do turbocarregador, etc. Adicionalmente, ECU 36 podereceber sinais de saída da unidade de controle do veículo (VCU) 38representando parâmetros de controle do veículo alimentados por umoperador, tal como velocidade de terra comandada (indicada por uma posiçãoda alavanca de marcha e estrangulador e/ou alavanca do hidrostato) ou umadireção comandada do veículo 10 (indicada por uma orientação angular dovolante de direção).
Unidade de controle de transmissão (TCU) 40 controlaeletronicamente a operação de IVT 18 e é tipicamente acoplada a umapluralidade de sensores (não mostrada) associada com a operação do IVT 18.ECU 36, VCU 38 e TCU 40 são acopladas entre si por meio de uma estruturade barramento que fornece fluxo de dados bidirecional, tal como umbarramento de rede de área do controlador (CAM) 42.
Embora vários componentes eletrônicos tais como ECU 36,VCU 38 e TCU 40 estejam mostrados acoplados uns nos outros usandoconexões por fio, deve-se entender também que conexões sem fio podem serusadas para certas aplicações. Adicionalmente, ECU 36, VCU 38 e TCU 40podem ser configuradas com qualquer combinação desejada de hardware,software e/ou firmware, e poderiam também ser combinadas em um únicocontrolador.
Referindo-se agora às figuras 2A e 2B, uma modalidadeespecífica de um veículo 50 da presente invenção será descrita com maisdetalhes. Na modalidade das figuras 2A e 2B, o veículo 50 é considerado umamáquina mecânica agrícola na forma de uma combinada agrícola John Deere,mas poderia ser um tipo diferente de máquina mecânica, tal como umamáquina mecânica de construção, florestal, de mineração ou industrial.
As cargas primárias acionadas pelo motor IC primário 12incluem dois tipos de cargas acionadas pelo trem de acionamento, a saber,cargas associadas com a propulsão hidrostática 18, 20 e cargas associadascom o sistema de trilhagem 52. As cargas do sistema de trilhagem são cargasacionadas pelo trem de acionamento associadas com um ou mais dosseguintes: uma ponteira; uma câmara de alimentação; um rotor; um separadore um picador de resíduos.
O motor IC 12 também aciona mecanicamente o gerador 22. Ogerador 22 pode ser conectado na caixa de engrenagem PTO, integrado novolante do motor, ou ainda acionado por correia pelo virabrequim 14. Ogerador 22 é controlado pelo circuito eletrônico 34 para carregar o banco debaterias 24, e pode também ser controlado para acionar diretamente um oumais motores 26 quando o motor IC 12 estiver funcionando.
As cargas externas 28 acionadas pelo banco de baterias 24 emotores 26 incluem dois tipos de cargas não do trem de acionamento,hidráulicas ou elétricas; a saber, cargas auxiliares comandadas por umoperador e cargas parasitas não comandadas por um operador. Na modalidadeda figura 2, as cargas auxiliares 30 são cargas não acionadas pelo trem deacionamento associadas com um ou mais do seguinte: um sistema deaquecimento e condicionamento de ar; um acionamento da carretilha; umacionamento da sapata de limpeza; um compressor pneumático para função delimpeza; um sistema de iluminação do veículo; um sistema de descarga degrão limpo; um acionamento do ventilador de limpeza; um acionamento dabarra de corte/trado; um espalhador de resíduos de cereais; um elevador degrão limpo; e uma saída de potência elétrica auxiliar. Todas essas cargasauxiliares 30 (exceto o sistema de iluminação e a saída de potência elétricaauxiliar) estão indicadas como cargas eletricamente acionadas, acionadaspelos respectivos motores elétricos 26 (cada qual designada por "M"). Cadaum dos vários motores 26 é seletivamente energizado em um período detempo de acionamento usando o circuito eletrônico 34 (mostradoesquematicamente na forma de blocos), que pode incluir uma VCU, umretificador e um inversor CC-AC.O circuito eletrônico 34 é configurado para acoplarseletivamente o banco de baterias 24 em um motor M associado com umacarga externa selecionada 28, e para acoplar seletivamente o gerador 22 nobanco de baterias 24 durante um período de tempo de carregamento. Umdetector 54 é acoplado no circuito eletrônico 34 e monitora o consumo deenergia do banco de baterias 24 com o tempo. O circuito eletrônico 34controla seletivamente a saída de carga e o período de tempo de carregamentodo gerador 22, dependendo do consumo de potência de um ou mais motores26 com o tempo. Em uma modalidade, o circuito eletrônico 34 pode acoplar seletivamente o gerador 22 no banco de baterias 24 de maneira tal que aamp*hora de carregamento total do gerador 22 aproxime-se de uma amp*horade acionamento total do banco de baterias 24.
No caso em que múltiplas cargas externas são seletivamenteacionadas por um operador, provavelmente é necessário monitorar o consumode energia do banco de baterias 24 e/ou motores individuais 26, de maneira talque o consumo de energia total e dos ciclos de trabalho possam serdeterminados, permitindo o controle do gerador 22 com uma taxa de cargaque é suficiente para manter uma carga no banco de baterias 24 para acionarintermitentemente as cargas externas 28. Pode ser mais fácil monitorar o consumo de energia na saída do banco de baterias 24, em vez de nas cargasexternas individuais 28. Entretanto, percebe-se que o consumo de energiapoderia também ser monitorado separadamente nas cargas externas discretas28.
Além disso, se o número e ciclo de tarefas das cargas externaspermitirem uma suposição de linha de base das exigências de potência para ascargas externas, então é possível eliminar o monitoramento de energia dascargas externas e simplesmente considerar as exigência de potência paracarregar o banco de baterias 24. Por exemplo, se apenas um sistema dedescarregamento estiver disponível como uma carga externa selecionável porum operador, então as exigências de potência do motor e o ciclo de tarefaspodem ser considerados para estabelecer a taxa de carregamento do gerador22 no banco de baterias 24.
Um sistema de descarregamento tal como supradescrito podeser operado pelo controle de um circuito eletrônico 34 de maneira tal que umtrado de descarga tenha uma velocidade operacional variável que depende dotempo ou de um parâmetro operacional associado com uma operação dedescarga. Por exemplo, o trado de descarga pode ter uma velocidadeoperacional variável que depende de um parâmetro operacional tais como: umnível detectado de grãos em um tanque de grãos limpos; um nível de materialde um contêiner para o qual o grão é transferido; uma condição de partida dotrado de descarga; e/ou um tipo de grão que está sendo transferido pelo tradode descarga. Com esta finalidade, um sensor genérico 56 está mostradoacoplado no circuito eletrônico 34 na figura 2B para detectar um ou mais detais parâmetros operacionais. Alternativamente, um operador pode alimentartais parâmetros operacionais no circuito eletrônico 34.
As cargas externas 28 podem ser ligadas por fios ao circuitoeletrônico 34, a um respectivo motor 26 e/ou ao banco de baterias 24, ou,alternativamente, podem ser acopladas usando conectores ou plugues modulares (por exemplo, uma ou mais saídas de tomada elétrica mostrada nafigura 2B). Adicionalmente, as cargas externas 28 podem ser acionadas a umavelocidade operacional igual ou diferente do motor IC 12. Isto permite que acarga externa funcione para ficar a uma velocidade diferente das funções detrilhagem e propulsão, que podem ser importantes para certas condiçõesoperacionais, tal como material de lavoura mais duro quando o crepúsculo seaproxima, etc.
De acordo com um outro aspecto da presente invenção, ogerador 22 pode ser configurado como um motor/gerador integral. Istopermite o controle de energia inteligente (IPM) pelo acionamento normalda(s) carga(s) primária(s) com o motor IC 12, e também fornece a capacidadede transferir potência adicional para o trem de acionamento no lado de saídado motor IC 12. O processador eletrônico 34 pode operar seletivamente omotor/gerador em um modo motor, de maneira tal que o motor 22 fiqueacoplado seletivamente e assim acionado pelo banco de baterias 24. Destamaneira, o motor 22 pode transferir seletivamente potência mecânicaadicional de volta para o trem de acionamento acoplado na unidade depotência 12.
Na modalidade aqui mostrada e descrita, o motor IC primário12 aciona diretamente apenas as cargas de propulsão e as cargas do sistema detrilhagem. O banco de baterias 24 e motores 26 acionam as cargas externas28, incluindo as cargas auxiliares 30 e cargas parasitas 32. Entretanto,dependendo de como o motor IC 12 é dimensionado e configurado, pode serdesejável acionar pelo menos algumas das cargas auxiliares 30 e/ou cargasparasitas 32 usando o motor IC 12. De qualquer maneira, muitas das cargasexternas 28 são acionadas pelo banco de baterias 24 e motor 26, de maneiratal que o motor IC 12 não seja colocado em uma condição de sobrecargadurante a operação.
Referindo-se agora à figura 3, será agora descrito um exemplode um método de operação generalizado 60 de um veículo 10 de acordo com apresente invenção. Percebe-se que o local particular dos blocos de controlelógico e blocos de decisão mostrados na figura 3 podem variar, dependendoda aplicação.
Na partida da unidade de potência 12 no veículo 10, a unidadede potência 12 aciona seletivamente uma ou mais cargas primárias 16,incluindo uma carga de propulsão (bloco 62). No caso em que o veículo 10 éconfigurado como uma máquina mecânica, isto é tipicamente feitoencaixando uma IVT ou uma embreagem. A unidade de potência 12 tambémaciona seletivamente o gerador 22 por meio da interconexão mecânica com otrem de acionamento a partir da unidade de potência 12 (bloco 64).
O bloco de decisão 66 e o bloco 68 (mostrado em linhastracejadas) correspondem a uma retroalimentação opcional de potência pelobanco de baterias 24 para o trem de acionamento a partir da unidade depotência 12, no caso de o gerador 22 ser configurado como um motor/gerador,como descrito anteriormente. Este IPM pode ser baseado em técnicas dedetecção e inferência de carga de motor conhecidas.
No bloco de decisões 70, é feita uma determinação se umoperador atuou seletivamente uma carga externa, tal como pressionando umachave, operando uma alavanca, etc. Se uma carga externa tiver sidoselecionada, então o circuito eletrônico 34 energiza um ou mais motoreselétricos 26 pelo acoplamento do(s) motor(s) 26 no banco de baterias 24.Alternativamente, o circuito eletrônico 34 pode acoplar o(s) motor(s)diretamente no gerador 22 (bloco 72), como descrito anteriormente. O(s)motor(s) 26 pode(m) ser operado(s) com uma velocidade fixa, ou,alternativamente, operado(s) com uma velocidade variável, como descritocom mais detalhes a seguir.
Se uma carga externa não for selecionada por um operador,então o controle simplesmente passa pela linha 74 para desviar a atuaçãodo(s) motor(s) elétrico.
No bloco 76, o consumo de energia em um ou mais motoreselétricos 26 é monitorado usando sensores ou detectores conhecidosadequados (não mostrados). O consumo de energia pelos motores elétricos éfunção da potência elétrica (tensão * amperagem) em um período de tempo. Operíodo de tempo que o(s) motor(s) 26 opera(m), em relação a um tempocorrespondente a uma freqüência de operação média do(s) motor(s) 26, podeser usado para determinar um ciclo de trabalho do(s) motor(s) 26. O consumode energia do(s) motor(s) 26 pode ser convenientemente monitorado no ladode saída do banco de baterias 24, ou monitorado separadamente no(s)motor(s) individual(s) 26, como descrito anteriormente. Com base noconsumo de energia monitorado do(s) motor(s) elétrico(s) 26, o circuitoeletrônico 34 controla o gerador 22 para prover uma saída de carregamentodesejada para o banco de baterias 24 em um período de tempo decarregamento (bloco 78). A lógica de controle mostrada na figura 3 retorna(linha 80) até que a unidade de potência 12 seja desligada, designada por"FIM".
Um exemplo específico de um método de operação de umveículo configurado como uma combinada agrícola mostrada nas figuras 2A e2B será agora descrito com mais detalhes. Este exemplo de operação serádescrito com referência a uma carga auxiliar 30 na forma de um trado dedescarga que é parte do sistema de descarregamento mostrado na figura 2B.
No campo tecnológico de colheitadeiras agrícolas, uma área deinteresse particular é o desenvolvimento de combinadas maiores com tanquesgraneleiros de 400 bushel ou mais. O sistema de descarregamento atualfornece uma taxa de descarga de 3,3 bushels/s (bu/s) através de um trado dedescarga. Isto será inadequado para nas novas máquinas maiores. Prevê-seque a taxa de descarga necessária para essas novas máquinas será 4 bu/s oumais. Um sistema de descarregamento acoplado ao motor IC e que usa atecnologia de trado atual que fornece taxa de descarga de 4 bu/s exigiriaaproximadamente 37 kW de potência para transferir o grão. Quando umsistema de descarregamento deste tamanho é ligado, o rápido pico na carga domotor pode ser além do que pode ser distribuído com as limitações de saídado motor para a curva de torque e aceitação de carga transiente. O resultado poderia ser uma queda inaceitável na RPM do motor IC e degradação nodesempenho da combinada funcional resultante do encaixe do sistema dedescarregamento durante a colheita para descarga ponto a ponto.
A presente invenção em geral elimina o acionamentomecânico atual (com embreagem) para o sistema de descarregamento com umacionamento elétrico usando um motor 26, gerador 22 e banco de baterias 24para armazenamento de energia. O sistema de descarregamento, com sem-fins, essencialmente permaneceria inalterado. O sistema de trado é acionadopor um motor elétrico 26 acionado por meio de um inversor a partir deenergia armazenada no banco de bateria 24, em vez de ser acionadodiretamente pelo trem de acionamento do motor IC 12. Para encaixar osistema de descarregamento, o operador atuaria uma chave na cabine dooperador que sinaliza o circuito eletrônico 34 para retirar potência do bancode baterias 24 para o motor elétrico do sistema de descarregamento 26, quecomeçaria girar para encaixar os sem-fins. O controlador 34, entretanto, podeser programado para iniciar o motor elétrico 26 lentamente para o primeiro,segundo, ou para os dois, de encaixe e elevação até a velocidade do tradonormal em um período de tempo predeterminado. Isto reduz ou elimina o picomassivo na carga de encaixe exigida para acelerar os sem-fins e o grão paracomeçar mover para fora do tanque de grãos limpos. Pelo encaixe eaceleração gradual, as cargas nos acionamentos e sem-fins podem serminimizadas. Os componentes podem ser projetados mais leves e suadurabilidade melhorada, se as cargas de impacto de encaixe foremminimizadas. A medida que o tanque graneleiro começa ser esvaziado, a taxade descarga instantânea cai naturalmente por causa da menor uniformidade dealimentação de grãos pelos lados inclinados do tanque graneleiro nos sem-finstransversal. Este efeito pode ser minimizado aumentando-se gradualmente avelocidade do motor de acionamento elétrico 26 para fazer com que os sem-fins girem mais depressa durante os últimos 20-30 segundos dodescarregamento do tanque graneleiro. Essencialmente, a taxa de descarga éajustada automaticamente pelo controlador comandando a melhor velocidadedo motor elétrico a qualquer dado ponto de tempo. Inicialmente, medianteencaixe, o motor pode ser comandado para acelerar lentamente para evitarimpactos de encaixe, e em seguida comandado para acelerar gradualmente àmedida que a taxa de alimentação de grãos tende cair à medida que o tanqueesvazia.
Pode ser possível, mediante encaixe do motor elétrico 26,realmente oscilar o motor para frente e para trás ligeiramente para iniciar omovimento do grão. Isto também ajudaria agitar o grão solto para amortecergrão de alta umidade que tende não querer escoar facilmente. A realimentaçãoatual do inversor para o motor elétrico 26 pode ser usada como um indicadorde quanto grão está sendo descarregado para aumentar a velocidade do trado àmedida que o tanque esvazia. A taxa máxima pode também serautomaticamente variada em função do grão que está sendo colhido parareduzir perda de grão para a carreta.
Um outro uso da capacidade de velocidade variável doacionamento elétrico é permitir que o operador reduza a velocidade dosistema de descarregamento para impedir perda de grãos e facilitar obasculamento da carreta de grãos para descarga. Ter uma alta taxa dedescarga (por exemplo, 4 bu7s) para rápido descarregamento e uma menortaxa (por exemplo, 2 bu/s) pode ser desejável para bascular e enchersemireboques sem perda de grão.
O gerador 22 essencialmente carrega o banco de baterias 24continuamente a uma baixa taxa. Uma vez que o sistema de descarregamentoé tipicamente ligado aproximadamente 30 % do tempo (isto é, ciclo de tarefade aproximadamente 30 %), a capacidade de carregamento do gerador 22poderia ser 30 % (ou ligeiramente mais por causa da ineficiência) dacapacidade do motor de acionamento. Considerando que o sistema dedescarregamento exige 30 kW quando funciona (ciclo de trabalho médio),então o gerador 22 poderia ser dimensionado para prover aproximadamente-15 kW de capacidade de carregamento. Isto seria suficiente para carregarcompletamente a bateria e mantê-la carregada com base ponto a ponto.Quando o banco de baterias atinge carga completa, o gerador pode serdesligado pelo controlador 34 e a demanda de potência de entrada mecânicado motor eliminada nesse ponto até que o sistema de descarregamento sejanovamente ligado e a bateria esgotada. De qualquer maneira, a máximademanda de potência do sistema de descarregamento do motor não excederia12-15 kW por causa do dimensionamento do gerador 22. Isto reduziria oueliminaria a necessidade de intensificação de potência do motor.
Atualmente 25 kW de intensificação de potência são providosaumentando-se a taxa do motor a fim de deslocar o pico de carga massivo dosistema de descarregamento. Com o conceito de híbrido, a potência dosistema de descarregamento viria da bateria, que lidaria com o pico de carga,não importa o tamanho. Se considerarmos que a demanda de carga média dociclo de trabalho para o sistema de descarregamento é 30 kW em um períodode 2 minutos, então a bateria teria que armazenar aproximadamente 1,0 kWhde energia elétrica (30 kW * 2 min * hora/60 min =1,0 kWh). O banco de baterias 24 poderia ser dimensionado apenas para isto, ou uma bateria dearmazenamento maior opcional poderia também ser usada para prover energiaadicional para dispositivos auxiliares tal como energia para o HVAC,compressor pneumático ou ferramentas de acionamento de 110V/220V comoesmerilhadeiras, perfuratrizes, etc. Essas funções poderiam ser providas como motor desligado. O tanque graneleiro poderia ser descarregado mesmo como motor desligado.
A presente invenção permite uma melhoria significativa naeconomia de energia e de combustível para maquinário agrícola comocombinadas e tratores onde existe carga variada associada com descarregamento intermitente. O impacto do encaixe pode ser suavizado comum trem de potência híbrido. Energia armazenada nas baterias e/oucapacitores pode ser retirada e usada a qualquer momento para prover apotência para descarregar o tanque graneleiro sem aumentar a carga no motordiesel. Deve ser possível evitar problemas com resposta transiente commotores Tier 4 (T4). Economia de combustível e curva de torque podem sermelhoradas se a variabilidade da aplicação de carga puder ser reduzida. Como dimensionamento adequado da bateria de armazenamento ou do banco debaterias, o tanque graneleiro pode ser descarregado sem dar partida no motordiesel. Dispositivos auxiliares tais como HVAC, ferramentas mecânicas,compressor pneumático, etc, poderiam também ser acionados com o motordesligado. O dimensionamento do banco de baterias determina o tempo defuncionamento para cargas auxiliares. Com a capacidade de manter a cabinefria e funcionar o compressor pneumático para limpar a máquina com o motordesligado seria um recurso não possível com a máquina atual, que exige que omotor diesel funcione para essas funções. A economia de combustível seriaaumentada se o motor diesel pudesse ser mantido desligado e a bateria usadaem substituição a isto. Um motor diesel de 500 HP funcionando para resfriar acabine e para operar um pequeno compressor pneumático não é eficiente emtermos de combustível. O carregamento de baterias no momento em que omotor está funcionando a carga máxima seria muito eficiente em termos decombustível, uma vez que o Consumo de Combustível Específico naFrenagem (BSFC) neste ponto é muito melhor do que em marcha lenta.
Tendo sido descrita a modalidade preferida, ficará aparenteque várias modificações podem ser feitas sem fugir do escopo da invençãodefinido nas reivindicações anexas.

Claims (48)

1. Veículo, caracterizado pelo fato de que compreende:uma unidade de potência acoplável mecanicamente a pelomenos uma carga primária, a dita pelo menos uma carga primária incluindouma carga de propulsão;pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico comuma saída elétrica que é acoplável a pelo menos uma carga externa por umperíodo de tempo de acionamento, cada dita carga externa sendo distinta dadita pelo menos uma carga primária;um gerador que é mecanicamente acoplável na dita unidade depotência e eletricamente acoplável no dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico, o dito gerado tendo uma saída de carregamentoelétrico para o dito pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico; epelo menos um circuito de processamento elétrico configuradopara acoplar seletivamente o dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico na dita pelo menos uma carga externa, e para acoplarseletivamente o dito gerador no dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico em um período de tempo de carregamento, a ditasaída de carregamento e o dito período de tempo de carregamento sendodependentes da dita saída elétrica do dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento de elétrico e do dito período de tempo de acionamento.
2. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricocontrola seletivamente a dita saída de carregamento e o dito período de tempode carregamento do dito gerador, dependendo do ciclo de trabalho médio dadita pelo menos uma carga externa.
3. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que inclui um detector para monitorar o consumo de energia como tempo do dito pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, e emque o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico controlaseletivamente a dita saída de carregamento e o dito período de tempo decarregamento do dito gerador, dependendo do dito consumo de energia com otempo.
4. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricoacopla seletivamente o dito gerador no dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico de maneira tal que a amp*hora de carregamento totaldo dito gerador se aproxime da amp*hora de acionamento total do dito pelomenos um dispositivo de armazenamento elétrico.
5. Veículo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricopode variar pelo menos um da dita saída de carregamento e do dito período detempo de carregamento para variar a dita amp*hora de carregamento total.
6. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico éconfigurado para acoplar seletivamente o dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico em pelo menos uma dita carga externa enquanto adita unidade de potência está em um estado desligado.
7. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricopode operar seletivamente o dito gerador para acionar diretamente pelo menosuma dita carga externa.
8. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada dita carga externa corresponde a um de uma cargaauxiliar e de uma carga parasita.
9. Veículo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que a dita unidade de potência é acoplada a um trem deacionamento e cada dita carga primária é acionada pelo dito trem deacionamento, cada dita carga auxiliar sendo uma carga não do trem deacionamento com intervenção do operador, e cada dita carga parasita sendouma carga não do trem de acionamento sem intervenção do operador.
10. Veículo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricoinclui uma unidade de controle do veículo (VCU) e uma unidade de controlede transmissão (TCU), a dita VCU controlando a operação de pelo menosuma dita carga auxiliar.
11. Veículo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que o dito veículo é uma combinada agrícola, e a dita pelo menosuma carga auxiliar corresponde a pelo menos um de:um sistema de descarregamento de grão limpo;um sistema de aquecimento e condicionamento de ar;um acionamento do carretei;um acionamento da sapata de limpeza;um compressor pneumático para função de limpeza;um sistema de iluminação do veículo;um acionamento do ventilador de limpeza;um acionamento da barra de corte/trado;um espalhador de resíduos de cereais;um elevador de grão limpo; euma saída de energia elétrica auxiliar.
12. Veículo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que o dito veículo é uma combinada agrícola e a dita pelo menosuma carga auxiliar inclui um trado de descarga de grão limpo acionado porum motor elétrico.
13. Veículo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricocontrola a operação do dito trado de descarga com uma velocidadeoperacional variável.
14. Veículo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que a dita velocidade operacional variável do dito trado dedescarga depende do tempo e de um parâmetro operacional associado com uma operação de descarga.
15. Veículo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o dito parâmetro operacional inclui pelo menos um de:um nível detectado de grão em um tanque de grão limpo;um nível de material de um recipiente para o qual o grão étransferido;uma condição de partida do dito trado de descarga;um tipo de grão que está sendo transferido através do ditotrado de descarga.
16. Veículo, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico éconfigurado para acelerar a dita velocidade operacional variável do dito tradode descarga à medida que o nível de material detectado no recipienteaproxima-se de um nível total.
17. Veículo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que o dito nível de material do dito recipiente é determinado porum de um sensor e de uma entrada do operador.
18. Veículo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico éconfigurado para pelo menos um de desacelerar e parar a dita velocidadeoperacional variável do dito trado de descarga à medida que o nível norecipiente aproxima-se do nível total.
19. Veículo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricoaumenta a dita velocidade operacional variável do dito trado de descarga nacondição de partida.
20. Veículo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um circuito de processamento elétricoaltera a velocidade à frente e a velocidade à trás do dito motor em umacondição de partida para soltar qualquer material estacionário anexado no ditotrado de descarga.
21. Veículo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que inclui um inversor CC em CA acoplado entre o dito pelomenos um dispositivo de armazenamento elétrico e o dito motor elétrico, e emque o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico varia a ditavelocidade operacional dependendo de uma corrente de realimentação do ditoinversor.
22. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito veículo é uma colheitadeira agrícola, e a dita pelomenos uma carga primária inclui uma carga do sistema de trilhagem.
23. Veículo, de acordo com a reivindicação 22, caracterizadopelo fato de que a dita colheitadeira agrícola é uma combinada agrícola, e adita carga do sistema de trilhagem corresponde a pelo menos uma de:uma plataforma de corte;uma ponteira;uma câmara de alimentação;um rotor;um separador; eum picador de resíduos.
24. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a dita unidade de potência é um motor de combustão interna(IC).
25. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito gerador é configurado como um motor/geradorintegral, e o dito pelo menos um circuito de processamento elétrico éconfigurado para operar seletivamente o dito motor/gerador como um motor,e seletivamente acoplar e dessa forma acionar o dito motor com o dito pelomenos um dispositivo de armazenamento elétrico.
26. Veículo, de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que o dito motor pode transferir seletivamente potência mecânicade volta para um trem de acionamento acoplado na dita unidade de potência.
27. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito pelo menos um dispositivo de armazenamento elétricocompreende pelo menos um de: pelo menos uma bateria e pelo menos umcapacitor.
28. Veículo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o dito veículo é uma máquina mecânica na forma de umamáquina mecânica de construção, uma máquina mecânica agrícola, umamáquina mecânica florestal, uma máquina mecânica de mineração e umamáquina mecânica industrial.
29. Método de operar um veículo, caracterizado pelo fato deque compreende as etapas de:acionar mecanicamente pelo menos uma carga primária comuma unidade de potência, a dita pelo menos uma carga primária incluindouma carga de propulsão;acionar mecanicamente um gerador elétrico usando a ditaunidade de potência;acionar eletricamente pelo menos uma carga externa usandopelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, cada dita cargaexterna sendo distinta da dita pelo menos uma carga primária; econtrolar o dito gerador para carregar o dito pelo menos umdispositivo de armazenamento elétrico, dependendo de um ciclo de trabalhomédio da dita pelo menos uma carga externa.
30. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de controlarinclui controlar seletivamente uma saída de carregamento e um período detempo de carregamento do dito gerador, dependendo de um ciclo de trabalho médio da dita pelo menos uma carga externa.
31. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de monitorar oconsumo de energia com o tempo do dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico, e em que a dita etapa de controlar inclui controlarseletivamente uma saída de carregamento e um período de tempo decarregamento do dito gerador, dependendo do dito consumo de energia com otempo.
32. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 31, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de controlarinclui variar pelo menos uma da dita saída de carregamento e do dito períodode tempo de carregamento para variar a dita amp*hora de carregamento total.
33. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de acionareletricamente é realizada enquanto a dita unidade de potência está em um estado desligado.
34. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o dito gerador pode seroperado seletivamente para acionar diretamente pelo menos uma dita cargaexterna.
35. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o dito veículo é umacombinada agrícola, e a dita pelo menos uma carga auxiliar inclui um trado dedescarga de grão limpo acionado por um motor elétrico, e em que a dita etapade acionar eletricamente inclui operar o dito trado de descarga com umavelocidade operacional variável.
36. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 35, caracterizado pelo fato de que a dita velocidade operacionalvariável do dito trado de descarga depende do tempo e de um parâmetrooperacional associado com uma operação de descarga.
37. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o dito gerador é configuradocomo um motor/gerador integral, e inclui as etapas de: operar seletivamente odito motor/gerador como um motor, e seletivamente acoplar e assim acionar odito motor com o dito pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico.
38. Método de operar um veículo, de acordo com areivindicação 37, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de transferirseletivamente potência mecânica de volta para um trem de acionamentoacoplado na dita unidade de potência.
39. Método de operar uma máquina mecânica, caracterizadopelo fato de que compreende as etapas de:acionar mecanicamente pelo menos uma carga primária comuma unidade de potência, o dito gerador tendo uma saída de carregamentoelétrico;acionar mecanicamente um gerador elétrico usando a ditaunidade de potência, o dito gerador tendo uma saída de carga elétrica;acionar eletricamente pelo menos uma carga externa usandouma saída elétrica de pelo menos um dispositivo de armazenamento elétricodurante um período de tempo de acionamento, cada dita carga externa sendodistinta da dita pelo menos uma carga primária; econtrolar o dito gerador para carregar o dito pelo menos umdispositivo de armazenamento elétrico durante um período de tempo decarregamento, a dita saída de carregamento e o dito período de tempo decarregamento dependendo da dita saída elétrica do dito pelo menos umdispositivo de armazenamento elétrico e do dito período de tempo deacionamento.
40. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de controlarinclui controlar seletivamente uma saída de carregamento e um período detempo de carregamento do dito gerador, dependendo de um ciclo de trabalhomédio da dita pelo menos um carga externa.
41. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de monitoraro consumo de energia durante o tempo do dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico, e em que a dita etapa de controlar inclui controlarseletivamente uma saída de carregamento e um período de tempo decarregamento do dito gerador, dependendo do dito consumo de energia com otempo.
42. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 41, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de controlarinclui variar pelo menos um da dita saída de carregamento e do dito períodode tempo de carregamento para variar a dita amp*hora de carregamento total.
43. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de acionareletricamente é realizada enquanto a dita unidade de potência está em umestado desligado.
44. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que o dito gerador pode ser operado seletivamente para acionar diretamente pelo menos uma dita cargaexterna.
45. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que o dito veículo é umacombinada agrícola, e a dita pelo menos uma carga auxiliar inclui um trado dedescarga de grão limpo acionado por um motor elétrico, e em que a dita etapade acionar eletricamente inclui operar o dito trado de descarga com umavelocidade operacional variável.
46. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 45, caracterizado pelo fato de que a dita velocidadeoperacional variável do dito trado de descarga depende do tempo e de umparâmetro operacional associado com uma operação de descarga.
47. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que o dito gerador éconfigurado como um motor/gerador integral, e inclui as etapas de: operarseletivamente o dito motor/gerador como um motor, e seletivamente acoplar eassim acionar o dito motor com o dito pelo menos um dispositivo dearmazenamento elétrico.
48. Método de operar uma máquina mecânica, de acordo coma reivindicação 47, caracterizado pelo fato de que inclui a etapa de transferirseletivamente potência mecânica de volta para um trem de acionamentoacoplado na dita unidade de potência.
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