BRPI0901453B1 - veículo com acionamento elétrico híbrido de cargas externas e capacidade sem motor - Google Patents

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Abstract

veículo e métodos de operar um veículo e uma máquina mecânica. 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 COM ACIONAMENTO ELÉTRICO HÍBRIDO DE CARGAS EXTERNAS E CAPACIDADE SEM MOTOR”
Campo da Invenção [0001] A presente invenção diz respeito a veículos acionados por motores e, mais particularmente, a veículos tais como máquinas mecânicas incluindo um motor de combustão interna que pode ser usado para acionar cargas primárias e externas.
Fundamentos da Invenção [0002] Um veículo tal como uma máquina mecânica na forma de uma máquina mecânica de construção, uma máquina mecânica agrícola ou uma máquina mecânica florestal, tipicamente inclui uma unidade de potência na forma de um motor de combustão interna (IC). O motor IC pode ser tanto na forma de um motor de ignição por compressão (isto é, motor diesel) quanto um motor de ignição a vela (isto é, motor a gasolina). Para a maioria das máquinas mecânicas pesadas, a unidade de potência é na forma de um motor diesel com melhores características de rateio, empuxo e torque para operações de trabalho associadas.
[0003] O impacto da carga em um motor IC pode ser o resultado de uma carga no trem de acionamento (por exemplo, um implemento reboado pela máquina mecânica) ou uma carga externa (isto é, uma carga sem ser do trem de acionamento). Cargas externas podem ser classificadas incluindo tanto cargas parasitas como auxiliares. Cargas parasitas são cargas sem ser do trem de acionamento colocadas em um motor pela operação normal da máquina mecânica, sem intervenção do operador (por exemplo, um ventilador de resfriamento do motor, uma bomba do circuito de resfriamento do óleo hidráulico, etc.). Cargas auxiliares são cargas sem ser do trem de acionamento colocadas em um motor pela intervenção seletiva do operador (por exemplo, uma carga hidráulica auxiliar tal como um trado de descarga em uma combinada, uma carregadeira da extremidade dianteira, um acessório de
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 7/75 / 17 escavadeira, etc.).
[0004] As demandas de melhor desempenho e economia de combustível aumentarão significativamente as máquinas mecânicas na próxima década. isto será complicado pela implementação de dispositivos para reduzir emissões. É de se esperar que crescente tamanho e produtividade de máquinas mecânicas resulte em uma demanda de energia maior do que será disponível a partir de motores de combustão interna simples econômicos. Isto impulsionará o desenvolvimento de veículos usando motores industriais muito grandes, pesados e caros. A complexidade e custo de tais motores podem ser proibitivos e restringir a implementação de maquinário de maior capacidade.
Sumário da Invenção [0005] A invenção em uma forma está voltada para um veículo com uma 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 em um período de tempo de acionamento. Cada carga externa é distinta de uma ou mais cargas primárias. Um gerador é mecanicamente acoplável na unidade de potência e eletricamente acoplável em pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico. O gerador tem uma saída de carga elétrica para 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 no pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico por um período de tempo de carga. A saída de carga e o período de tempo de carga dependem da saída elétrica do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento.
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 8/75 / 17 [0006] A invenção em uma outra forma está voltada para um método de operação de um veículo, incluindo as etapas de: acionar mecanicamente pelo menos uma carga primária com uma unidade de potência, a pelo menos uma carga primária incluindo uma carga de propulsão; acionar mecanicamente um gerador elétrico usando a unidade de potência; acionar eletricamente pelo menos uma carga externa usando pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, cada carga externa sendo distinta de uma ou mais cargas primárias; e controlar o gerador para carregar o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico dependendo de um ciclo de trabalho médio da pelo menos uma carga externa.
[0007] A invenção em uma outra forma está voltada para um método de operação de um veículo, incluindo as etapas de: acionar mecanicamente pelo menos uma carga primária com uma unidade de potência, a pelo menos uma carga primária incluindo uma carga de propulsão; acionar mecanicamente um gerador elétrico usando a unidade de potência, o gerador tendo uma saída de carga elétrica; acionar eletricamente pelo menos uma carga externa usando uma saída elétrica de pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico em um período de tempo de acionamento, cada carga externa sendo distinta da uma ou mais cargas primárias; e controlar o gerador para carregar o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico em um período de tempo de carga, a saída de carga e o período de tempo de carga dependendo da saída elétrica do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento.
Descrição Resumida dos Desenhos [0008] A figura 1 é uma ilustração esquemática de uma modalidade de um veículo da presente invenção.
[0009] As figuras 2A e 2B são uma ilustração esquemática de uma modalidade particular de um veículo da presente invenção na forma de uma combinada agrícola.
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 9/75 / 17 [00010] A figura 3 é um fluxograma de uma modalidade de um método de operação de um veículo da presente invenção.
Descrição Detalhada da Invenção [00011] Veículos podem usar tecnologia de motor elétrico IC híbrido com uma bateria de armazenamento para suplementar o motor de combustão interna com intensificação de energia elétrica. Espera-se que isto funcione muito bem, mas a intensificação da energia elétrica somente é disponível para período de tempo relativamente curtos. A quantidade de tempo disponível para intensificação elétrica é determinada pelo tamanho da bateria. Baterias com capacidade suficiente para prover níveis sustentados de intensificação de energia necessariamente serão grandes, pesadas e caras, limitando assim sua praticidade.
[00012] Uma outra vantagem com híbridos intensificados por baterias é a capacidade de operar acionamentos elétricos com parada do motor IC. Por exemplo, os HVAC, luzes, compressores pneumáticos, ventiladores de refrigeração, sistemas de descarregamento de tanque graneleiro, etc., poderiam ser operados sem a necessidade de dar partida no motor IC. A duração de tempo que esses acionamentos podem ser operados com o motor desligado é limitada, novamente, pelo tamanho da bateria. Baterias grandes o bastante para realizar um trabalho significativo por períodos de tempo prolongados com o motor desligado podem ser muito grandes, pesadas e caras para ser práticas.
[00013] A presente invenção aqui descrita fornece um veículo, tal como uma máquina mecânica, e método de operação correspondente com capacidade de potência sustentada e aumentada para cargas externas (tal como um sistema de descarregamento de grãos limpos) com muitas das vantagens de híbridos de motor elétrico IC, ainda atendendo as exigências de emissões cada vez mais rigorosas.
[00014] Referindo-se agora à figura 1, está mostrada uma ilustração
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 10/75 / 17 esquemática de uma modalidade de um veículo 10 da presente invenção. Com propósitos de ilustração e discussão, o veículo 10 é considerado uma máquina mecânica, 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.
[00015] O veículo 10 inclui uma unidade de potência na forma de um motor IC 12 que tipicamente inclui um virabrequim de saída 14 que é parte de um trem de acionamento, com uma saída nominal que aciona uma ou mais cargas primárias 16. A(s) carga(s) primária(s) inclui(m) uma carga de propulsão para impulsionar seletivamente o veículo 10 no terreno. Com esta finalidade, um IVT 18 na forma de uma transmissão hidrostática pode ser encaixado/desencaixado seletivamente do virabrequim 14, e fornece força motriz a uma ou mais rodas de acionamento 20. Certamente, percebe-se que, no caso de um veículo mecânico tipo esteira, o virabrequim 14 pode ser acoplado a uma esteira de encaixe no terreno.
[00016] Na modalidade mostrada, a unidade de potência é considerada um grande motor diesel usado em uma máquina mecânica, mas poderia ser configurado de forma diferente para outras aplicações. Por exemplo, a unidade de potência poderia também ser um motor a gasolina, motor a propano, etc. Como um exemplo adicional, se o veículo 10 for configurado como um carro de passageiros, pode ser possível configurar a unidade de potência 10 como um motor elétrico que fornece força tratora a uma ou mais rodas de encaixe no terreno.
[00017] O motor IC 12 também aciona mecanicamente um gerador 22 que fornece uma saída elétrica. O gerador 22 é eletricamente acoplado em pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, que pode ser na forma de uma ou mais baterias e/ou um ou mais capacitores. Com propósitos de discussão, o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico será
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 11/75 / 17 considerado inúmeras baterias que são tipicamente conectadas umas nas outras como um banco de baterias 24 com uma tensão de saída préselecionada e uma amp*hora nominal. A potência do banco de baterias 24 pode ser aplicada como energia CC, ou invertida e aplicada como energia CA. [00018] Um ou mais motores 26 são seletivamente acoplados no banco de baterias 24 e acionado por ele. Motores 26 por sua vez podem ser usados para acionar uma ou mais cargas externas 28, que incluem uma ou mais cargas auxiliares 30, e podem incluir uma ou mais cargas parasitas 32. Cargas auxiliares 30 são cargas hidráulicas ou elétricas sem ser do trem de acionamento colocadas no motor IC 12 através da intervenção seletiva do operador (por exemplo, uma carga hidráulica auxiliar tal como um trado de descarga em uma combinada, uma carregadeira de frente, um acessório de escavadeira, etc.). Cargas parasitas 32 são cargas sem ser do trem de acionamento colocadas sobre o motor IC 12 pela operação normal da máquina mecânica, sem intervenção do operador (por exemplo, um ventilador de resfriamento do motor acionado eletricamente associado com o motor IC 12, etc.).
[00019] A operação do veículo 10 é pelo controle de pelo menos um circuito de processamento elétrico 34. Quando o veículo 10 é configurado como uma máquina mecânica, como mostrado na figura 1, o circuito de processamento elétrico é tipicamente na forma de múltiplos controladores que comunicam uns com os outros e controlam diferentes partes da máquina mecânica. Mais particularmente, uma unidade de controle do motor (ECU) 36 controla eletronicamente a operação do motor IC 12, e é acoplada a uma pluralidade de sensores (não especificamente mostrados) associada com a operação do motor IC 12. Por exemplo, a ECU 36 pode ser acoplada a um sensor que indica parâmetros de controle do motor tal como vazão de ar em um ou mais coletores de admissão, velocidade do motor, taxa de alimentação de combustível e/ou sincronismo, taxa de recirculação de gás de exaustão
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 12/75 / 17 (EGR), posição da pá do turbocarregador, etc. Adicionalmente, ECU 36 pode receber sinais de saída da unidade de controle do veículo (VCU) 38 representando parâmetros de controle do veículo alimentados por um operador, tal como velocidade de terra comandada (indicada por uma posição da alavanca de marcha e estrangulador e/ou alavanca do hidrostato) ou uma direção comandada do veículo 10 (indicada por uma orientação angular do volante de direção).
[00020] Unidade de controle de transmissão (TCU) 40 controla eletronicamente a operação de IVT 18 e é tipicamente acoplada a uma pluralidade 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 estrutura de barramento que fornece fluxo de dados bidirecional, tal como um barramento de rede de área do controlador (CAM) 42.
[00021] Embora vários componentes eletrônicos tais como ECU 36, VCU 38 e TCU 40 estejam mostrados acoplados uns nos outros usando conexões por fio, deve-se entender também que conexões sem fio podem ser usadas para certas aplicações. Adicionalmente, ECU 36, VCU 38 e TCU 40 podem ser configuradas com qualquer combinação desejada de hardware, software e/ou firmware, e poderiam também ser combinadas em um único controlador.
[00022] Referindo-se agora às figuras 2A e 2B, uma modalidade específica de um veículo 50 da presente invenção será descrita com mais detalhes. Na modalidade das figuras 2A e 2B, o veículo 50 é considerado uma máquina mecânica agrícola na forma de uma combinada agrícola John Deere, mas poderia ser um tipo diferente de máquina mecânica, tal como uma máquina mecânica de construção, florestal, de mineração ou industrial.
[00023] As cargas primárias acionadas pelo motor IC primário 12 incluem dois tipos de cargas acionadas pelo trem de acionamento, a saber, cargas associadas com a propulsão hidrostática 18, 20 e cargas associadas
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 13/75 / 17 com o sistema de trilhagem 52. As cargas do sistema de trilhagem são cargas acionadas pelo trem de acionamento associadas com um ou mais dos seguintes: uma ponteira; uma câmara de alimentação; um rotor; um separador e um picador de resíduos.
[00024] O motor IC 12 também aciona mecanicamente o gerador 22. O gerador 22 pode ser conectado na caixa de engrenagem PTO, integrado no volante do motor, ou ainda acionado por correia pelo virabrequim 14. O gerador 22 é controlado pelo circuito eletrônico 34 para carregar o banco de baterias 24, e pode também ser controlado para acionar diretamente um ou mais motores 26 quando o motor IC 12 estiver funcionando.
[00025] As cargas externas 28 acionadas pelo banco de baterias 24 e motores 26 incluem dois tipos de cargas não do trem de acionamento, hidráulicas ou elétricas; a saber, cargas auxiliares comandadas por um operador e cargas parasitas não comandadas por um operador. Na modalidade da figura 2, as cargas auxiliares 30 são cargas não acionadas pelo trem de acionamento associadas com um ou mais do seguinte: um sistema de aquecimento e condicionamento de ar; um acionamento da carretilha; um acionamento da sapata de limpeza; um compressor pneumático para função de limpeza; um sistema de iluminação do veículo; um sistema de descarga de grão limpo; um acionamento do ventilador de limpeza; um acionamento da barra de corte/trado; um espalhador de resíduos de cereais; um elevador de grão limpo; e uma saída de potência elétrica auxiliar. Todas essas cargas auxiliares 30 (exceto o sistema de iluminação e a saída de potência elétrica auxiliar) estão indicadas como cargas eletricamente acionadas, acionadas pelos respectivos motores elétricos 26 (cada qual designada por M). Cada um dos vários motores 26 é seletivamente energizado em um período de tempo de acionamento usando o circuito eletrônico 34 (mostrado esquematicamente na forma de blocos), que pode incluir uma VCU, um retificador e um inversor CC-AC.
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 14/75 / 17 [00026] O circuito eletrônico 34 é configurado para acoplar seletivamente o banco de baterias 24 em um motor M associado com uma carga externa selecionada 28, e para acoplar seletivamente o gerador 22 no banco de baterias 24 durante um período de tempo de carregamento. Um detector 54 é acoplado no circuito eletrônico 34 e monitora o consumo de energia do banco de baterias 24 com o tempo. O circuito eletrônico 34 controla seletivamente a saída de carga e o período de tempo de carregamento do gerador 22, dependendo do consumo de potência de um ou mais motores 26 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 a amp*hora de carregamento total do gerador 22 aproxime-se de uma amp*hora de acionamento total do banco de baterias 24.
[00027] No caso em que múltiplas cargas externas são seletivamente acionadas por um operador, provavelmente é necessário monitorar o consumo de energia do banco de baterias 24 e/ou motores individuais 26, de maneira tal que o consumo de energia total e dos ciclos de trabalho possam ser determinados, permitindo o controle do gerador 22 com uma taxa de carga que é suficiente para manter uma carga no banco de baterias 24 para acionar intermitentemente as cargas externas 28. Pode ser mais fácil monitorar o consumo de energia na saída do banco de baterias 24, em vez de nas cargas externas individuais 28. Entretanto, percebe-se que o consumo de energia poderia também ser monitorado separadamente nas cargas externas discretas
28.
[00028] Além disso, se o número e ciclo de tarefas das cargas externas permitirem uma suposição de linha de base das exigências de potência para as cargas externas, então é possível eliminar o monitoramento de energia das cargas externas e simplesmente considerar as exigência de potência para carregar o banco de baterias 24. Por exemplo, se apenas um sistema de descarregamento estiver disponível como uma carga externa selecionável por
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 15/75 / 17 um operador, então as exigências de potência do motor e o ciclo de tarefas podem ser considerados para estabelecer a taxa de carregamento do gerador 22 no banco de baterias 24.
[00029] Um sistema de descarregamento tal como supradescrito pode ser operado pelo controle de um circuito eletrônico 34 de maneira tal que um trado de descarga tenha uma velocidade operacional variável que depende do tempo ou de um parâmetro operacional associado com uma operação de descarga. Por exemplo, o trado de descarga pode ter uma velocidade operacional variável que depende de um parâmetro operacional tais como: um nível detectado de grãos em um tanque de grãos limpos; um nível de material de um contêiner para o qual o grão é transferido; uma condição de partida do trado de descarga; e/ou um tipo de grão que está sendo transferido pelo trado de descarga. Com esta finalidade, um sensor genérico 56 está mostrado acoplado no circuito eletrônico 34 na figura 2B para detectar um ou mais de tais parâmetros operacionais. Alternativamente, um operador pode alimentar tais parâmetros operacionais no circuito eletrônico 34.
[00030] As cargas externas 28 podem ser ligadas por fios ao circuito eletrônico 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 na figura 2B). Adicionalmente, as cargas externas 28 podem ser acionadas a uma velocidade operacional igual ou diferente do motor IC 12. Isto permite que a carga externa funcione para ficar a uma velocidade diferente das funções de trilhagem e propulsão, que podem ser importantes para certas condições operacionais, tal como material de lavoura mais duro quando o crepúsculo se aproxima, etc.
[00031] De acordo com um outro aspecto da presente invenção, o gerador 22 pode ser configurado como um motor/gerador integral. Isto permite o controle de energia inteligente (IPM) pelo acionamento normal
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 16/75 / 17 da(s) carga(s) primária(s) com o motor IC 12, e também fornece a capacidade de transferir potência adicional para o trem de acionamento no lado de saída do motor IC 12. O processador eletrônico 34 pode operar seletivamente o motor/gerador em um modo motor, de maneira tal que o motor 22 fique acoplado seletivamente e assim acionado pelo banco de baterias 24. Desta maneira, o motor 22 pode transferir seletivamente potência mecânica adicional de volta para o trem de acionamento acoplado na unidade de potência 12.
[00032] Na modalidade aqui mostrada e descrita, o motor IC primário 12 aciona diretamente apenas as cargas de propulsão e as cargas do sistema de trilhagem. O banco de baterias 24 e motores 26 acionam as cargas externas 28, incluindo as cargas auxiliares 30 e cargas parasitas 32. Entretanto, dependendo de como o motor IC 12 é dimensionado e configurado, pode ser desejável acionar pelo menos algumas das cargas auxiliares 30 e/ou cargas parasitas 32 usando o motor IC 12. De qualquer maneira, muitas das cargas externas 28 são acionadas pelo banco de baterias 24 e motor 26, de maneira tal que o motor IC 12 não seja colocado em uma condição de sobrecarga durante a operação.
[00033] Referindo-se agora à figura 3, será agora descrito um exemplo de um método de operação generalizado 60 de um veículo 10 de acordo com a presente invenção. Percebe-se que o local particular dos blocos de controle lógico e blocos de decisão mostrados na figura 3 podem variar, dependendo da aplicação.
[00034] Na partida da unidade de potência 12 no veículo 10, a unidade de potência 12 aciona seletivamente uma ou mais cargas primárias 16, incluindo uma carga de propulsão (bloco 62). No caso em que o veículo 10 é configurado como uma máquina mecânica, isto é tipicamente feito encaixando uma IVT ou uma embreagem. A unidade de potência 12 também aciona seletivamente o gerador 22 por meio da interconexão mecânica com o
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 17/75 / 17 trem de acionamento a partir da unidade de potência 12 (bloco 64).
[00035] O bloco de decisão 66 e o bloco 68 (mostrado em linhas tracejadas) correspondem a uma retroalimentação opcional de potência pelo banco de baterias 24 para o trem de acionamento a partir da unidade de potência 12, no caso de o gerador 22 ser configurado como um motor/gerador, como descrito anteriormente. Este IPM pode ser baseado em técnicas de detecção e inferência de carga de motor conhecidas.
[00036] No bloco de decisões 70, é feita uma determinação se um operador atuou seletivamente uma carga externa, tal como pressionando uma chave, operando uma alavanca, etc. Se uma carga externa tiver sido selecionada, então o circuito eletrônico 34 energiza um ou mais motores elétricos 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 descrito com mais detalhes a seguir.
[00037] Se uma carga externa não for selecionada por um operador, então o controle simplesmente passa pela linha 74 para desviar a atuação do(s) motor(s) elétrico.
[00038] No bloco 76, o consumo de energia em um ou mais motores elétricos 26 é monitorado usando sensores ou detectores conhecidos adequados (não mostrados). O consumo de energia pelos motores elétricos é função da potência elétrica (tensão * amperagem) em um período de tempo. O período de tempo que o(s) motor(s) 26 opera(m), em relação a um tempo correspondente a uma frequência de operação média do(s) motor(s) 26, pode ser usado para determinar um ciclo de trabalho do(s) motor(s) 26. O consumo de energia do(s) motor(s) 26 pode ser convenientemente monitorado no lado de saída do banco de baterias 24, ou monitorado separadamente no(s)
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 18/75 / 17 motor(s) individual(s) 26, como descrito anteriormente. Com base no consumo de energia monitorado do(s) motor(s) elétrico(s) 26, o circuito eletrônico 34 controla o gerador 22 para prover uma saída de carregamento desejada para o banco de baterias 24 em um período de tempo de carregamento (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.
[00039] Um exemplo específico de um método de operação de um veículo configurado como uma combinada agrícola mostrada nas figuras 2A e 2B será agora descrito com mais detalhes. Este exemplo de operação será descrito com referência a uma carga auxiliar 30 na forma de um trado de descarga que é parte do sistema de descarregamento mostrado na figura 2B.
[00040] No campo tecnológico de colheitadeiras agrícolas, uma área de interesse particular é o desenvolvimento de combinadas maiores com tanques graneleiros de 400 bushel ou mais. O sistema de descarregamento atual fornece uma taxa de descarga de 3,3 bushels/s (bu/s) através de um trado de descarga. Isto será inadequado para nas novas máquinas maiores. Prevê-se que a taxa de descarga necessária para essas novas máquinas será 4 bu/s ou mais. Um sistema de descarregamento acoplado ao motor IC e que usa a tecnologia de trado atual que fornece taxa de descarga de 4 bu/s exigiria aproximadamente 37 kW de potência para transferir o grão. Quando um sistema de descarregamento deste tamanho é ligado, o rápido pico na carga do motor pode ser além do que pode ser distribuído com as limitações de saída do 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 no desempenho da combinada funcional resultante do encaixe do sistema de descarregamento durante a colheita para descarga ponto a ponto.
[00041] A presente invenção em geral elimina o acionamento mecânico atual (com embreagem) para o sistema de descarregamento com um
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 19/75 / 17 acionamento elétrico usando um motor 26, gerador 22 e banco de baterias 24 para armazenamento de energia. O sistema de descarregamento, com semfins, essencialmente permanecería inalterado. O sistema de trado é acionado por um motor elétrico 26 acionado por meio de um inversor a partir de energia armazenada no banco de bateria 24, em vez de ser acionado diretamente pelo trem de acionamento do motor IC 12. Para encaixar o sistema de descarregamento, o operador atuaria uma chave na cabine do operador que sinaliza o circuito eletrônico 34 para retirar potência do banco de baterias 24 para o motor elétrico do sistema de descarregamento 26, que começaria girar para encaixar os sem-fins. O controlador 34, entretanto, pode ser programado para iniciar o motor elétrico 26 lentamente para o primeiro, segundo, ou para os dois, de encaixe e elevação até a velocidade do trado normal em um período de tempo predeterminado. Isto reduz ou elimina o pico massivo na carga de encaixe exigida para acelerar os sem-fins e o grão para começar mover para fora do tanque de grãos limpos. Pelo encaixe e aceleração gradual, as cargas nos acionamentos e sem-fins podem ser minimizadas. Os componentes podem ser projetados mais leves e sua durabilidade melhorada, se as cargas de impacto de encaixe forem minimizadas. À medida que o tanque graneleiro começa ser esvaziado, a taxa de descarga instantânea cai naturalmente por causa da menor uniformidade de alimentação de grãos pelos lados inclinados do tanque graneleiro nos sem-fins transversal. Este efeito pode ser minimizado aumentando-se gradualmente a velocidade do motor de acionamento elétrico 26 para fazer com que os semfins girem mais depressa durante os últimos 20-30 segundos do descarregamento do tanque graneleiro. Essencialmente, a taxa de descarga é ajustada automaticamente pelo controlador comandando a melhor velocidade do motor elétrico a qualquer dado ponto de tempo. Inicialmente, mediante encaixe, o motor pode ser comandado para acelerar lentamente para evitar impactos de encaixe, e em seguida comandado para acelerar gradualmente à
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 20/75 / 17 medida que a taxa de alimentação de grãos tende cair à medida que o tanque esvazia.
[00042] Pode ser possível, mediante encaixe do motor elétrico 26, realmente oscilar o motor para frente e para trás ligeiramente para iniciar o movimento do grão. Isto também ajudaria agitar o grão solto para amortecer grão de alta umidade que tende não querer escoar facilmente. A realimentação atual do inversor para o motor elétrico 26 pode ser usada como um indicador de quanto grão está sendo descarregado para aumentar a velocidade do trado à medida que o tanque esvazia. A taxa máxima pode também ser automaticamente variada em função do grão que está sendo colhido para reduzir perda de grão para a carreta.
[00043] Um outro uso da capacidade de velocidade variável do acionamento elétrico é permitir que o operador reduza a velocidade do sistema de descarregamento para impedir perda de grãos e facilitar o basculamento da carreta de grãos para descarga. Ter uma alta taxa de descarga (por exemplo, 4 bu/s) para rápido descarregamento e uma menor taxa (por exemplo, 2 bu/s) pode ser desejável para bascular e encher semireboques sem perda de grão.
[00044] O gerador 22 essencialmente carrega o banco de baterias 24 continuamente a uma baixa taxa. Uma vez que o sistema de descarregamento é tipicamente ligado aproximadamente 30 % do tempo (isto é, ciclo de tarefa de aproximadamente 30 %), a capacidade de carregamento do gerador 22 poderia ser 30 % (ou ligeiramente mais por causa da ineficiência) da capacidade do motor de acionamento. Considerando que o sistema de descarregamento exige 30 kW quando funciona (ciclo de trabalho médio), então o gerador 22 poderia ser dimensionado para prover aproximadamente15 kW de capacidade de carregamento. Isto seria suficiente para carregar completamente a bateria e mantê-la carregada com base ponto a ponto. Quando o banco de baterias atinge carga completa, o gerador pode ser
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 21/75 / 17 desligado pelo controlador 34 e a demanda de potência de entrada mecânica do motor eliminada nesse ponto até que o sistema de descarregamento seja novamente ligado e a bateria esgotada. De qualquer maneira, a máxima demanda de potência do sistema de descarregamento do motor não excederia 12-15 kW por causa do dimensionamento do gerador 22. Isto reduziria ou eliminaria a necessidade de intensificação de potência do motor.
[00045] Atualmente 25 kW de intensificação de potência são providos aumentando-se a taxa do motor a fim de deslocar o pico de carga massivo do sistema de descarregamento. Com o conceito de híbrido, a potência do sistema de descarregamento viria da bateria, que lidaria com o pico de carga, não importa o tamanho. Se considerarmos que a demanda de carga média do ciclo de trabalho para o sistema de descarregamento é 30 kW em um período de 2 minutos, então a bateria teria que armazenar aproximadamente 1,0 kWh de 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 de armazenamento maior opcional poderia também ser usada para prover energia adicional para dispositivos auxiliares tal como energia para o HVAC, compressor pneumático ou ferramentas de acionamento de 110V/220V como esmerilhadeiras, perfuratrizes, etc. Essas funções poderiam ser providas com o motor desligado. O tanque graneleiro poderia ser descarregado mesmo com o motor desligado.
[00046] A presente invenção permite uma melhoria significativa na economia de energia e de combustível para maquinário agrícola como combinadas e tratores onde existe carga variada associada com descarregamento intermitente. O impacto do encaixe pode ser suavizado com um trem de potência híbrido. Energia armazenada nas baterias e/ou capacitores pode ser retirada e usada a qualquer momento para prover a potência para descarregar o tanque graneleiro sem aumentar a carga no motor diesel. Deve ser possível evitar problemas com resposta transiente com
Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 22/75 / 17 motores Tier 4 (T4). Economia de combustível e curva de torque podem ser melhoradas se a variabilidade da aplicação de carga puder ser reduzida. Com o dimensionamento adequado da bateria de armazenamento ou do banco de baterias, o tanque graneleiro pode ser descarregado sem dar partida no motor diesel. Dispositivos auxiliares tais como HVAC, ferramentas mecânicas, compressor pneumático, etc., poderiam também ser acionados com o motor desligado. O dimensionamento do banco de baterias determina o tempo de funcionamento para cargas auxiliares. Com a capacidade de manter a cabine fria e funcionar o compressor pneumático para limpar a máquina com o motor desligado seria um recurso não possível com a máquina atual, que exige que o motor diesel funcione para essas funções. A economia de combustível seria aumentada se o motor diesel pudesse ser mantido desligado e a bateria usada em substituição a isto. Um motor diesel de 500 HP funcionando para resfriar a cabine e para operar um pequeno compressor pneumático não é eficiente em termos de combustível. O carregamento de baterias no momento em que o motor está funcionando a carga máxima seria muito eficiente em termos de combustível, uma vez que o Consumo de Combustível Específico na Frenagem (BSFC) neste ponto é muito melhor do que em marcha lenta.
[00047] Tendo sido descrita a modalidade preferida, ficará aparente que várias modificações podem ser feitas sem fugir do escopo da invenção definido nas reivindicações anexas.

Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Veículo (10) com acionamento elétrico híbrido de cargas externas e capacidade sem motor, compreendendo:
    uma unidade de potência acoplável mecanicamente a pelo menos uma carga primária (16), a pelo menos uma carga primária (16) incluindo uma carga de propulsão;
    pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico com uma saída elétrica que é acoplável a pelo menos uma carga externa (28) por um período de tempo de acionamento, cada carga externa (28) sendo distinta da pelo menos uma carga primária (16);
    um gerador (22) que é mecanicamente acoplável na unidade de potência e eletricamente acoplável no pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, o gerador (22) tendo uma saída de carregamento elétrico para o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico; e, pelo menos um circuito de processamento elétrico configurado para acoplar seletivamente o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico na pelo menos uma carga externa (28), e para acoplar seletivamente o gerador (22) no pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico em um período de tempo de carregamento, caracterizado pelo fato de que: a saída de carregamento e o período de tempo de carregamento são dependentes da saída elétrica do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico e do período de tempo de acionamento; e, um detector (54) é provido para monitorar o consumo de energia com o tempo do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, e o pelo menos um circuito de processamento elétrico controla seletivamente a saída de carregamento e o período de tempo de carregamento do gerador (22), dependendo do consumo de energia com o tempo.
  2. 2. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um circuito de processamento elétrico controla
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    2 / 5 seletivamente a saída de carregamento e o período de tempo de carregamento do gerador (22), dependendo do ciclo de trabalho médio da pelo menos uma carga externa (28).
  3. 3. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um circuito de processamento elétrico acopla seletivamente o gerador (22) no pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico de maneira tal que a amp*hora de carregamento total do gerador (22) se aproxime da amp*hora de acionamento total do pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, pelo que o pelo menos um circuito de processamento elétrico pode variar pelo menos um da saída de carregamento e do período de tempo de carregamento para variar a amp*hora de carregamento total.
  4. 4. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um circuito de processamento elétrico é configurado para acoplar seletivamente o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico com pelo menos uma carga externa (28) enquanto a unidade de potência está em um estado desligado.
  5. 5. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um circuito de processamento elétrico pode operar seletivamente o gerador (22) para acionar diretamente pelo menos uma carga externa (28).
  6. 6. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada carga externa (28) corresponde a um de uma carga auxiliar (30) e de uma carga parasita (32).
  7. 7. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a unidade de potência é acoplada a um trem de acionamento e cada carga primária (16) é acionada pelo trem de acionamento, cada carga auxiliar (30) sendo uma carga não do trem de acionamento com intervenção do operador, e cada carga parasita (32) sendo uma carga não do trem de
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    3 / 5 acionamento sem intervenção do operador.
  8. 8. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um circuito de processamento elétrico inclui uma unidade de controle do veículo (VCU) e uma unidade de controle de transmissão (TCU), a unidade de controle do veículo (VCU) controlando a operação de pelo menos uma carga auxiliar (30).
  9. 9. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o veículo é na forma de pelo menos uma dentre uma máquina mecânica, uma máquina mecânica de construção, uma máquina mecânica industrial, uma máquina mecânica florestal, uma máquina mecânica de mineração e uma máquina mecânica agrícola, em particular o veículo é uma combinada agrícola, e a pelo menos uma carga auxiliar (30) corresponde a pelo menos um de:
    um sistema de descarregamento de grão limpo;
    um sistema de aquecimento e condicionamento de ar;
    um acionamento do carretel;
    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; e uma saída de energia elétrica auxiliar, e/ou o veículo é uma combinada agrícola e a pelo menos uma carga auxiliar (30) inclui um trado de descarga de grão limpo acionado por um motor elétrico, onde o pelo menos um circuito de processamento elétrico controla a operação do trado de descarga com uma velocidade operacional variável, e a velocidade operacional variável do trado de descarga depende do
    Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 26/75
    4 / 5 tempo e de um parâmetro operacional associado com uma operação de descarga, sendo que por exemplo o 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 é transferido;
    uma condição de partida do trado de descarga;
    um tipo de grão que está sendo transferido através do trado de descarga.
  10. 10. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que: o pelo menos um circuito de processamento elétrico é configurado para acelerar a velocidade operacional variável do trado de descarga à medida que o nível de material detectado no recipiente aproximase de um nível total, sendo que o nível de material do recipiente é preferencialmente determinado por um de um sensor e de uma entrada do operador; e/ou, o pelo menos um circuito de processamento elétrico é configurado para pelo menos um de desacelerar e parar a velocidade operacional variável do trado de descarga à medida que o nível no recipiente aproxima-se do nível total.
  11. 11. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que: o pelo menos um circuito de processamento elétrico aumenta a velocidade operacional variável do trado de descarga na condição de partida; e/ou, o pelo menos um circuito de processamento elétrico altera a velocidade à frente e a velocidade à trás do motor em uma condição de partida para soltar qualquer material estacionário anexado no trado de descarga.
  12. 12. Veículo (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que inclui um inversor CC em CA acoplado entre o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico e o motor elétrico, e o pelo menos um circuito de processamento
    Petição 870190086738, de 04/09/2019, pág. 27/75
    5 / 5 elétrico varia a velocidade operacional dependendo de uma corrente de realimentação do inversor.
  13. 13. Veículo (10) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o veículo é uma colheitadeira agrícola, e a pelo menos uma carga primária (16) inclui uma carga do sistema de trilhagem, por exemplo, uma de:
    uma plataforma de corte;
    uma ponteira;
    uma câmara de alimentação;
    um rotor;
    um separador; e um picador de resíduos.
  14. 14. Veículo (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gerador (22) é configurado como um motor/gerador (22) integral, e o pelo menos um circuito de processamento elétrico é configurado para operar seletivamente o motor/gerador (22) como um motor, e seletivamente acoplar e dessa forma acionar o motor com o pelo menos um dispositivo de armazenamento elétrico, sendo o motor pode preferencialmente transferir seletivamente potência mecânica de volta para um trem de acionamento acoplado na unidade de potência.
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