BRPI0921763B1 - método de armazenamento de energia e sistema para um veículo elétrico híbrido - Google Patents
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Abstract
"método de armazenamento de energia recarregável e sistema para um veículo elétrico híbrido". a presente invenção refere-se a um sistema de armazenamento de energia recarregávelsistema recarregável de armazenamento de energia (ress) para um veículo elétrico híbrido incluindo um módulo de fornecimento de energiafonte de alimentação (58) que inclui pelo menos uma bateria (64). um módulo de partida (60) inclui n supercapacitores (68) arranjados em paralelo com a pelo menos uma bateria (64), em que n é um número inteiro igual ou maior que um, e uma fornecimento de energia ajustávelfonte de alimentação ajustável arranjadao em série com pelo menos um dos n supercapacitores e em paralelo com a pelo menos uma bateria, em que ao fornecimento de energia ajustávelfonte de alimentação ajustável mantém uma tensão através dos n supercapacitores abaixo de uma tensão predeterminada.
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma fonte de alimentação para um veículo elétrico e, mais particularmente, a uma configuração de supercapacitores para um veículo elétrico híbrido com tamanho e complexidade reduzidos.
Antecedentes [002] As declarações nesta seção fornecem meramente informação de antecedentes relacionada com a presente descrição e pode não constituir técnica anterior.
[003] Demandas de energia que variam (por exemplo, acionamento de parar e andar e/ou aceleração rápida) em um sistema de propulsão convencional podem fazer com que o sistema opere de forma ineficiente. Por exemplo, o sistema de propulsão convencional pode incluir um motor de combustão interna. Ineficiências no motor resultam em consumo de combustível aumentado e emissões aumentadas. [004] Um veículo elétrico híbrido (HEV) une recursos do sistema de propulsão convencional com esses de um sistema de veículo elétrico. Por exemplo, o HEV pode incluir o sistema de propulsão convencional e um sistema recarregável de armazenamento de energia (RESS) embutido que melhora economia de combustível e desempenho. O sistema de propulsão convencional e/ou um freio regenerativo fornecem energia para o RESS, o qual armazena a energia para uso posterior. O RESS usa a energia armazenada para acionar o veículo durante períodos de aceleração. Consequentemente, o sistema de propulsão convencional opera somente quando em eficiência ideal. O RESS pode incluir um banco de baterias para fornecer armazenamento. Tipicamente, melhoramento em economia de combustível do veículo corresponde à
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2/10 capacidade de armazenamento e a outras características do RESS. Sumário [005] Um sistema recarregável de armazenamento de energia (RESS) para um veículo elétrico híbrido inclui um módulo de fonte de alimentação que inclui pelo menos uma bateria. Um módulo de partida inclui N supercapacitores arranjados em paralelo com a pelo menos uma bateria, em que N é um número inteiro igual ou maior que 1, e uma fonte de alimentação ajustável arranjada em série com pelo menos um dos N supercapacitores e em paralelo com a pelo menos uma bateria, em que a fonte de alimentação ajustável mantém uma tensão através dos N supercapacitores abaixo de uma tensão predeterminada.
[006] Áreas adicionais de aplicabilidade se tornarão aparentes a partir da descrição fornecida neste documento. Deve ser entendido que a descrição e exemplos específicos são pretendidos somente para propósitos de ilustração e não são pretendidos para limitar o escopo da presente descrição.
Desenhos [007] Os desenhos descritos neste documento são somente para propósitos de ilustração e não são pretendidos para limitar o escopo da presente descrição em algum modo.
[008] A figura 1 é um diagrama de blocos funcionais de um sistema de motor exemplar de acordo com a presente descrição;
[009] a figura 2 é um diagrama de blocos funcionais ilustrando um módulo de controle híbrido de acordo com a presente descrição; e [0010] a figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando um módulo de sistema recarregável de armazenamento de energia de acordo com a presente descrição.
Descrição Detalhada [0011] A descrição a seguir é meramente exemplar em natureza e
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3/10 não é pretendida para limitar a presente invenção, aplicação ou usos. Deve ser entendido que por todos os desenhos números de referência correspondentes indicam partes e recursos iguais ou correspondentes. Tal como usado neste documento, o termo módulo se refere a um Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC), um circuito eletrônico, um processador (compartilhado, dedicado, ou grupo) e memória que executam um ou mais softwares ou firmwares, um circuito lógico de combinação e/ou outros componentes adequados que forneçam a funcionalidade descrita.
[0012] Referindo-se agora à figura 1, um diagrama de blocos funcionais de um sistema de fonte de alimentação de veículo elétrico híbrido (HEV) exemplar 10 está mostrado. O sistema de fonte de alimentação 10 inclui um módulo de controle de motor (ECM) 12, um motor elétrico 14, um módulo de controle híbrido 16, um sistema de propulsão convencional 18, incluindo um motor de combustão interna ou um diesel 20 e uma transmissão 22. O ECM 12 pode usar sinais recebidos de vários sensores de veículo, tais como aqueles recebidos de um Módulo de Entrada de Motorista 24, para tomar decisões de controle para o sistema de fonte de alimentação 10. O ECM 12 fornece sinais para vários módulos para acionar pelo menos uma roda de veículo 26 com um torque requerido.
[0013] O ECM 12 pode exigir que o motor elétrico 14, o motor 20, ou uma combinação do motor elétrico 14 e o motor 20 acione as rodas de veículo 26. O motor 20 e o motor elétrico 14 estão situados em um arranjo de conjunto de acionamento em paralelo, tal como mostrado. No arranjo de conjunto de acionamento em paralelo, o motor elétrico 14 e o motor 20 são acoplados mecanicamente para combinar o torque fornecido por cada um para uma potência de saída total. O ECM 12 determina o equilíbrio exato de potência entre o motor elétrico 14 e o motor 20 para maior eficiência de sistema e opcionalmente pode vaPetição 870190059046, de 26/06/2019, pág. 7/36
4/10 riar a divisão ao longo do tempo.
[0014] O motor 20 e o motor elétrico 14 também podem estar em um arranjo de conjunto de acionamento em série ou em um arranjo de conjunto de acionamento combinado em série/em paralelo (não mostrado). No arranjo de conjunto de acionamento em série, o motor 20 aciona um gerador, em vez de acionar diretamente as rodas 26. O gerador energiza o motor elétrico 14 que então aciona a transmissão 22. O arranjo de conjunto de acionamento combinado em série/em paralelo tem recursos de ambos os arranjos de conjuntos de acionamento em série e em paralelo. O arranjo de conjunto de acionamento combinado em série/em paralelo inclui um dispositivo de divisão de potência que permite ao motor 20 acionar as rodas 26 diretamente por meio de dispositivos mecânicos (por exemplo, fornecendo torque diretamente para as rodas 26) ou indiretamente por meio de dispositivos elétricos (por exemplo, fornecendo torque para o motor elétrico 14).
[0015] O ECM 12 envia um comando para um módulo atuador de afogador 28 para regular abertura de uma válvula reguladora 30 para controlar a quantidade de ar arrastado para dentro de um coletor de admissão 32. Ar do coletor de admissão 32 é arrastado para dentro dos N cilindros 34 do motor 20. Embora a figura 1 represente o motor 20 tendo seis cilindros 34 (N = 6), deve ser entendido que o motor 20 pode incluir mais ou menos cilindros 34. A título de exemplo, o motor 20 pode incluir 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12 e/ou 16 cilindros.
[0016] O ar entrando nos cilindros 34 queima com combustível, acionando reciprocamente para baixo os pistões 36 localizados dentro dos cilindros 34. Os pistões de movimento alternado 36 acionam rotativamente um eixo de manivela 38, o qual fornece um torque de acionamento constante para a transmissão 22. Os pistões 36 começam então a se deslocar para cima de novo e expelem os subprodutos de combustão. Os subprodutos de combustão são esgotados do veículo
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5/10 por meio de um sistema de exaustão 40.
[0017] O ECM 12 pode se comunicar com um módulo de controle de transmissão 42 para coordenar mudança de engrenagens na transmissão 22 quando informação retransmitida dos vários sensores de veículo (por exemplo, do Módulo de Entrada de Motorista 24) indica a necessidade de um aumento ou diminuição na aceleração de veículo. A transmissão 22 translada o torque de acionamento constante do eixo de manivela 38 através de uma série de engrenagens 44 utilizando uma pluralidade de relações de engrenagens (por exemplo, terceira velocidade, quarta velocidade, quinta velocidade, sexta velocidade, etc.) para um eixo de acionamento de saída 46. O eixo de acionamento 46 distribui então o torque de acionamento para as rodas de veículo 26.
[0018] O motor 20 também pode empregar um dispositivo de elevação, tal como um turbocompressor 48, o qual fornece ar pressurizado para o coletor de admissão 32; uma válvula de recirculação de gás de exaustão (EGR) 50, a qual redireciona seletivamente gás de exaustão de volta para o coletor de admissão 32; e/ou um sensor de fluxo de massa de ar (MAF) 52, o qual mede a massa de ar fluindo para dentro do coletor de admissão 32.
[0019] O ECM 12 envia um comando para o módulo de controle híbrido 16 quando energia é exigida do motor elétrico 14. O módulo de controle híbrido 16 usa energia armazenada para acionar o motor 14, o qual aciona a transmissão 22. Os versados na técnica podem perceber que o motor 14 pode ser arranjado em várias localizações adicionais e/ou alternativas no veículo, tais como no eixo de acionamento 16 e/ou perto das rodas 26, e pode incluir um carregador acionado por correia. O motor 14 também pode ser usado para produzir energia elétrica para uso pelos sistemas elétrico de veículo e/ou para armazenamento em uma bateria. Em várias implementações, o ECM 12, o mó
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6/10 dulo de controle de transmissão 42 e o módulo de controle híbrido 16 podem ser integrados em um ou mais módulos.
[0020] Referindo-se agora à figura 2, o módulo de controle híbrido 16 inclui um módulo de um Sistema Recarregável de Armazenamento de Energia (RESS) a bordo 54 e um módulo de controle de motor 56. O módulo RESS 54 inclui um módulo de fonte de alimentação 58, um módulo de partida 60 e um módulo de controle regulador 61. O módulo de fonte de alimentação 58 pode ser usado para gerar um fornecimento estável de energia, enquanto que o módulo de partida 60 pode fornecer uma corrente alta por um curto tempo. O módulo de controle regulador 61 ativa e desativa seletivamente o módulo de partida 60 tal como descrito com detalhes adicionais na figura 3. O módulo de controle de motor 56 recebe energia do módulo RESS 54 para acionar o motor 14.
[0021] Referindo-se agora à figura 3, o módulo de fonte de alimentação 58 pode incluir um banco de baterias 62 que inclui uma pluralidade das baterias 64. As baterias 64 incluem as baterias B1, B2, ..., e Bn arranjadas em uma configuração em série. Embora o banco de baterias 62 esteja mostrado incluindo um único grupo das baterias 64 conectado em paralelo, os versados na técnica podem perceber que outras configurações de baterias podem ser usadas, incluindo, mas não limitadas a isto, uma configuração de matriz e grupos adicionais de baterias conectadas em série. Desta maneira, a tensão fornecida pelo banco de baterias 62 corresponde a uma soma das tensões de baterias individuais das baterias 64 enquanto mantendo a mesma classificação de capacidade. De modo oposto, quando as baterias 64 são conectadas em paralelo, as capacidades das baterias 64 são somadas enquanto que o banco de baterias 62 tem uma tensão efetiva igual à de uma das baterias 64. Deve ser notado que qualquer combinação ou número das baterias 64 pode ser usado no banco de bateri
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7/10 as 62 para fornecer a capacidade de armazenamento requerida nas restrições de espaço repartidas.
[0022] Embora o banco de baterias 62 seja capaz de armazenar grandes quantidades de energia, o motor 14 pode exigir correntes muito altas por pequenos períodos de tempo (por exemplo, durante partida e manobras de aceleração). Desta maneira, o módulo de partida 60 inclui um banco de supercapacitores 66 colocado em um arranjo em paralelo com o banco de baterias 62. O banco de supercapacitores 66 também é capaz de rapidamente e de forma eficiente armazenar energia gerada durante uma operação de frenagem regenerativa ou durante desaceleração de veículo. O sistema de fonte de alimentação 10 também pode ser incluído em um HEV tipo série ou paralelo. Por exemplo, o sistema de fonte de alimentação 10 pode ser configurado para conectar a um receptáculo de energia AC padrão para carregar o banco de baterias 62 e/ou o banco de supercapacitores 66. Correntes de saída do banco de supercapacitores 66 e do banco de baterias 62 são somadas para dar partida no motor 14. O banco de supercapacitores 66 e o banco de baterias 62 também podem ser usados para operar o motor 14 durante operação normal.
[0023] O banco de supercapacitores 66 pode ter uma tensão de trabalho menor, igual ou maior que a do banco de baterias 62. Tal como mostrado, o banco de supercapacitores 66 inclui os supercapacitores 68 (SC1, SC2, ..., e SCn) arranjados em uma configuração em paralelo. Embora tal como mostrado o banco de supercapacitores 68 inclua um único capacitor 68 conectado em paralelo, outras configurações podem ser usadas, incluindo, mas não limitadas a isto, dois ou mais capacitores conectados em série e/ou um ou mais grupos de capacitores conectados em série conectados em paralelo com outros grupos de capacitores conectados em série. Os supercapacitores 68, tais como ultracapacitores ou capacitores eletroquímicos de dupla camada
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8/10 (EDLC), usam uma separação de carga microscópica em uma interface eletroquímica para armazenar energia. Em particular, o banco de supercapacitores 66 armazena uma carga elétrica em um eletrodo. O banco de baterias 62 cria uma carga elétrica nos eletrodos para gerar energia. A capacitância dos supercapacitores 68 é proporcional a uma área de superfície de eletrodo ativo. Portanto, aumentar a área de superfície de eletrodo aumentará a capacitância. Isto é alcançado ao utilizar materiais porosos nos supercapacitores 68 para aumentar a área de superfície de eletrodo ativo sem aumentar o tamanho do dispositivo.
[0024] O banco de supercapacitores 66 tem uma capacitância efetiva de SCtotal de acordo com a seguinte equação:
SCtotal = SC1 + SC2 + ... + SCn.
[0025] Colocar os supercapacitores 68 em um arranjo em paralelo permite um uso mais efetivo da energia disponível. É entendido que qualquer número dos supercapacitores 68 pode ser colocado dentro da configuração em paralelo para obter a capacitância de sistema exigida.
[0026] Supercapacitores individuais dos supercapacitores 68 podem ser limitados para tensões baixas. Supercapacitores classificados para maiores tensões tipicamente são feitos de supercapacitores individuais conectados em série casados. Desta maneira, o módulo RESS 54 da presente descrição inclui uma fonte de alimentação ajustável 70 (tal como um regulador comutado ajustável) conectada em série com o banco de supercapacitores 66. Somente para exemplo, a fonte de alimentação ajustável 70 pode incluir uma fonte de alimentação de baixo custo/alta eficiência. Embora a fonte de alimentação ajustável 70 esteja mostrado conectado em série com o banco de supercapacitores 66, os versados na técnica podem perceber que a fonte de alimentação ajustável 70 pode ser arranjado em outras localizações adequadas.
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9/10 [0027] Um terminal de tensão de referência (isto é, terra) da fonte de alimentação ajustável 70 é conectado a um lado de terminal negativo do banco de baterias 62. A fonte de alimentação ajustável 70 recebe energia de um lado de terminal positivo do banco de baterias 62 do módulo de fonte de alimentação 58. Um terminal positivo da fonte de alimentação ajustável 70 é conectado a um lado de baixa tensão do banco de supercapacitores 66. A fonte de alimentação ajustável 70 regula a quantidade de tensão através dos supercapacitores 68 ao reduzir uma tensão de saída da fonte de alimentação ajustável 70 para um valor menor que uma tensão em um lado de terminal positivo do banco de baterias 62. Por exemplo, a fonte de alimentação ajustável 70 impede que a tensão através dos supercapacitores exceda um limiar predeterminado.
[0028] O módulo de controle regulador 61 se comunica com a fonte de alimentação ajustável 70 para regular a quantidade de tensão através dos supercapacitores 68. Por exemplo, o módulo de controle regulador 61 pode monitorar uma tensão em um nó 72. A tensão no nó 72 é indicativa da tensão através do banco de supercapacitores 66. Quando módulo de controle regulador 61 determina que a tensão no nó 72 excede o limiar predeterminado, o módulo de controle regulador 61 ajusta a fonte de alimentação ajustável 70 desta maneira. O módulo de controle regulador 61 pode ajustar a fonte de alimentação ajustável 70 para reduzir a tensão através do banco de supercapacitores 66 para permitir que os supercapacitores 68 carreguem. Por exemplo, reduzir a tensão por meio da fonte de alimentação ajustável 70 permite que corrente flua do módulo de controle de motor (por exemplo, durante desaceleração) para os supercapacitores 68. Desta maneira, reduzir a tensão da fonte de alimentação ajustável 70 permite que os supercapacitores 68 carreguem rapidamente e de forma eficiente.
[0029] Desta maneira, o módulo de controle híbrido 16 energiza o
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10/10 motor 14 com o banco de supercapacitores 66 durante partida e pode continuar a energizar com o banco de baterias 62 durante operação normal. Adicionalmente, o módulo de controle híbrido 16 pode armazenar rapidamente energia no banco de supercapacitores 66 durante frenagem regenerativa ou desaceleração normal, e armazenar energia regularmente no banco de baterias 62 durante operação normal de veículo.
[0030] Esta descrição é meramente exemplar em natureza e, assim, variações que não divergem do ponto principal da descrição são pretendidas para estar dentro do escopo da invenção. Tais variações não são para serem consideradas como uma saída do espírito e escopo da invenção.
Claims (13)
1. Método de armazenamento de energia para um veículo elétrico híbrido que compreende as etapas de:
fornecer pelo menos uma bateria (84);
dispor cada um de N supercapacitores (68) em paralelo com a pelo menos uma bateria (84), onde N é um número inteiro igual ou maior que um; e dispor uma fonte de alimentação ajustável (70) em série com pelo menos um dos N supercapacitores (68) e em paralelo com a pelo menos uma bateria (84), caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação ajustável (70) mantém uma tensão através dos N supercapacitores (68) menor do que uma tensão predeterminada.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente:
monitorar a tensão através dos N supercapacitores (68) usando um módulo de controle regulador (61); e controlar seletivamente a tensão com base em uma comparação entre a tensão e a tensão predeterminada.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente conectar um módulo de controle de motor (56) em paralelo com os N supercapacitores (68).
4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os N supercapacitores (68) fornecem corrente para o módulo de controle de motor (56) durante pelo menos um de um período de partida e operação normal do veículo elétrico híbrido.
5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os N supercapacitores (68) são carregados durante pelo menos um período de frenagem regenerativa, desaceleração normal e aceleração do veículo elétrico híbrido.
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2/3
6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma tensão da fonte de alimentação ajustável (70) é menor ou igual a uma tensão limiar predeterminada para os N supercapacitores (68).
7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ao menos um supercapacitor (68) é conectado em série com pelo menos um dos N supercapacitores (68).
8. Sistema para um veículo elétrico híbrido que compreende:
um sistema de baterias (62) que inclui uma pluralidade de baterias (64) conectadas em série, o sistema de baterias sendo configurado para fornecer uma corrente para alimentar um motor elétrico (14) do veículo elétrico híbrido, em que o motor elétrico (14) está configurado para propulsionar o veículo elétrico híbrido;
um sistema de supercapacitores (66) que inclui uma pluralidade de supercapacitores (68) conectados em paralelo, um regulador comutado ajustável (70) conectado entre o sistema de baterias (62) e o sistema de supercapacitores (66), caracterizado pelo fato de que:
o sistema de supercapacitores (66) é conectado em paralelo ao sistema de baterias (62) e é configurado para fornecer um valor adicional de corrente para alimentar o motor elétrico (14) do veículo elétrico híbrido quando a corrente demandada pelo motor elétrico (14) for maior que a corrente fornecida pelo sistema de baterias (62); e o regulador comutado ajustável (70) é configurado para manter uma tensão através do sistema de supercapacitores (66) que é menor que ou igual a uma tensão de limiar predeterminada e para permitir recarga do sistema de supercapacitores (66).
9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que:
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3/3 um terminal de tensão de referência do regulador comutado ajustável (70) é conectado a um terminal negativo do sistema de baterias (62), um terminal de entrada do regulador comutado ajustável (70) é conectado a um terminal positivo do sistema de baterias (62), e um terminal de saída do regulador comutado ajustável (70) é conectado a um nó de referência do sistema de supercapacitores.
10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o regulador comutado ajustável (70) está configurado para permitir a recarga do sistema de supercapacitores (66) durante ao menos um período entre desaceleração do veículo e frenagem regenerativa por meio da redução da tensão através do sistema de supercapacitores (66).
11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o regulador comutado ajustável (70) é configurado para permitir a recarga do sistema de supercapacitores (66) durante ao menos um período entre desaceleração do veículo e frenagem regenerativa por meio da redução da tensão através do sistema de supercapacitores para uma tensão menor que a tensão no terminal positivo do sistema de baterias (62).
12. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que cada um da pluralidade de supercapacitores (68) inclui um material poroso que aumenta a área de superfície de um eletrodo ativo de cada um da pluralidade de supercapacitores (68).
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a recarga do sistema de baterias (62) é habilitada durante o estado estável da operação do veículo, e onde um motor a combustão interna (20) do veículo elétrico híbrido está configurado para propulsionar o veículo elétrico híbrido durante o estado estável da operação do veículo.
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