CZ378198A3 - Způsob provozu elektrického vozidla - Google Patents

Description

71/39-8/- 98 (^>us'pl proVotU; ^~* V^eíektričké^ózidld • ··♦· ·· ♦ • · • · · • ♦ ·♦· · »» »··· • · • • · • • · • • · • Φ ·· «« ·· I · « 4 »·· ··« • 4

Oblast techniky Vynález se týká způsobu

iJkn%0 \)D9xdtcv,

Dosavadní stav techniky

Hybridní elektrická vozidla jsou široce považována za nejpraktičtější z vozidel s nízkým znečišťováním. Hybridní elektrické vozidlo zahrnuje elektrickou „trakční“ baterii, která zabezpečuje elektrickou energii pro elektrický trakční motor, který pohání kola vozidla. „Hybridní" aspekt hybridního elektrického vozidla spočívá v použití sekundárního neboli přídavného zdroje elektrické energie pro znovunabíjení trakční baterie během provozu vozidla. Tímto sekundárním zdrojem elektrické energie mohou být solární (sluneční) panely, palivový článek, generátor poháněný spalovacím motorem nebo všeobecně jakýkoli jiný zdroj elektrické energie. Je-li jako sekundární zdroj elektrické energie použit spalovací motor, jedná se obyčejně o relativně malý motor používající málo paliva a vykazující malé znečišťování. Průvodní výhodou je, že takovýto malý spalovací motor může být provozován uvnitř omezené oblasti otáček za minutu (RPM), takže může být optimalizováno ovládání znečišťování motorem. Pokud jsou k popisu zdrojů elektrické energie použity termíny „primární" a „sekundární", vztahují se pouze ke způsobu distribuce energie během provozu a nemají zásadní význam ve vztahu • ·«·· ·* *··♦ Μ ·· 2·· ♦ · · 4 « ♦ · · • · «·· ·«·« • · * · * » * 444 ·»·

* ♦ 4 4 4 4 · I 444 ♦ 44 44 #4 44 k vynálezu. Jednoduché elektricky poháněné vozidlo napájené pouze elektrickými bateriemi má nevýhodu, že se baterie mohou vybít když je vozidlo vzdáleno od nabíjecí stanice baterií a dokonce i když se takové vozidlo po denním použití úspěšně vrátí do svého depa, musí být baterie znovu nabity. Hybridní elektrické vozidlo má proti vozidlu napájenému pouze elektricky významnou výhodu, neboť toto hybridní elektrické vozidlo znovu nabíjí vlastní baterie během provozu a tak obvykle nevyžaduje žádné vnější nabíjení baterií. Takto může být hybridní elektrické vozidlo použito v podstatě jako obvyklé vozidlo poháněné spalovacím motorem vyžadujícím pouze doplňování paliva. Další velkou výhodou hybridního elektrického vozidla je jeho dobrá kilometrová spotřeba paliva. Tato výhoda vzniká užitím regenerativního dynamického brzdění, které přeměňuje kinetickou pohybovou energii na elektrický výkon během alespoň části brzdění a navrací energii do baterie. Bylo zjištěno, že ztráty vzniklé brzděním tvoří zhruba polovinu všech ztrát vzniklých třením při provozu vozidla ve městě. Obnovení těchto 50% energie a její navrácení do baterie pro další použití dovoluje použít mnohem menší „sekundárná elektrický generátor pracující s palivem než v případě, kdy není použito regenerativního brzdění. Naopak, menší sekundární elektrický zdroj má za následek, že je na časovou jednotku nebo na kilometr použito méně paliva. Další výhodou hybridního elektrického vozidla je, že energie použitelná pro akceleraci vozidla, je v mnoha případech součtem maximální energie, která může být dodána baterií a maximální energie, která může být vyrobeny sekundárním elektrickým generátorem. Je-li elektrickým generátorem naftový spalovací motor, může kombinace energie baterie a energie motoru vyústit v celkovou pohybovou sílu, která je poměrné značná, nehledě na dobrou kilometrovou spotřebu paliva. I když jsou hybridní elektrická vozidla ekonomicky a pokud jde o životní prostředí výhodná, musí být do jisté míry „zajištěna proti nesprávné obsluze" tím, že musí být podobná běžným vozidlům se spalovacími motory pokud jde o jejich provoz a odezvy na obsluhu tak, aby byla široce přijatelná.

Způsob provozu vozidla, které získává alespoň část tažné síly nebo hnací energie z jedné nebo více elektrických baterií, zahrnuje krok navracení v podstatě veškeré energie z trakčního motoru do baterií v průběhu dynamického brzdění během těch dob, kdy jsou baterie v prvním nabíjecím stavu, který je nižší než plné nabití. Další kroky tohoto způsobu zahrnují vracení méně než veškeré energie z trakčního motoru do baterií během dynamického brzdění, jsou-li baterie na úrovni nabití mezi prvním nabíjecím stavem a stavem plného nabití a vracení v podstatě nulové energie z trakčního motoru do baterii během brzdění, když baterie dosáhne stavu plného nabití. V tomto provedení, krok navrácení méně energie než je veškerá energie z trakčního motoru do baterií, zahrnuje krok navracení takového množství dostupné dynamické brzdné energie do baterií, které má monotóní vztah k podílu současného nabití baterie vzhledem ke stavu úplného nabití. Ve výhodném provedení vynálezu výše popsané kroky hladce přecházejí jeden do druhého v závislosti na stavu nabití baterií. Jelikož se velikost dynamického brzdění postupně mění jako funkce nabití baterie, třecí brzdy kompenzují jakoukoli nedostatečnost brzdění automaticky, jako výsledek síly, kterou řidič působí na brzdový pedál. Přehled obrázků na výkresech

Na obr.1 je zjednodušené blokové schéma elektrického vozidla podle vynálezu zahrnující povelovou řídící jednotku, která provádí řízení v souladu s vynálezem a rovněž zahrnující výkonovou řídící jednotku.

Obr.2 představuje zjednodušené blokové schéma znázorňující některé z funkcí prováděných ve výkonové řídící jednotce z obr.1.

Obr.3a a 3b jsou zjednodušené diagramy regenerace energie do trakční baterie v závislosti na stavu nabití trakční baterie a trakční síly způsobené regenerací v závislosti na stavu nabití trakční baterie.

Obr.4 je zjednodušený vývojový diagram ilustrující logický tok v povelové řídící jednotce z obr.1 a 2 za účelem zajištění činností podle obr.3a a 3b.

Na obr.5 je znázorněn zjednodušený diagram rozdělení dodávání trakční energie do trakčního motoru vozidla dle obr.1, jako funkce nabití trakční baterie.

Na obr.6 je zjednodušený vývojový diagram znázorňující logický tok v povelové řídící jednotce z obr.1 a 2 k zajištění činností dle obr.5.

Obr.7a je diagram výkonu motoru nebo generátoru v závislosti na rychlosti, kde parametrem je točivý moment a na obr.7b je ukázáno, jak je výkon motoru/ generátoru řízen. • ···· ·· ···· ·♦ ♦· ·· ··· ····· • · ··· ···· • t · « · · ♦ ··· ··· «· ···· · · ··· · ·· ·· ♦· ··

Na obr.8 je zjednodušené blokové schéma znázorňující některé řídící obvody nebo uspořádání pro řízení množství elektrické energie generované přídavným zdrojem energie v odezvě na stav nabití trakční baterie. Příklady provedení vynálezu

Elektrické vozidlo 10 na obr.1 zahrnuje alespoň jedno hnací kolo 12 spojené se střídavým elektrickým trakčním motorem 40, kterým je v jednom provedení vynálezu třífázový střídavý motor. Trakční motor 40 je s výhodou motor-generátor, takže kinetická pohybová energie je během dynamického brzdění převáděna na elektrickou energii. Výkonová řídící jednotka 14. je připojena silovými spoji k trakčnímu motoru 40, k trakční baterii 20 a k pomocnému zdroji 16 elektrické energie. Pomocný zdroj 16 elektrické energie může být tvořen spalovacím motorem, jako je například dieselový motor 18, pohánějící elektrický generátor 22, nebo palivovým článkem 24. Povelová řídící jednotka 50 je spojena prostřednictvím informačních cest s výkonovou řídící jednotkou 14., pomocným zdrojem 1_6 a trakčním motorem 40 za účelem řízení funkce výkonové řídící jednotky 14, pomocného zdroje 16 a trakčního motoru 40 v souladu s vhodnými pravidly řízení.

Jedním z nejběžnějších a nejlevnějších typů baterií, který je schopen uložení relativně velké energie, je běžná baterie 0I0V0/H2SO4. Tento typ baterie je vhodný pro použití v elektrickém vozidle jestliže se dbá na to, aby se nepřiváděl nabíjecí proud je-li baterie plně nabita, čímž se zabrání plynování elektrolytu a nežádoucí generaci tepla a jestliže je možné vyhnout se sulfataci.

Displeje a uživatelské ovladače vozidla 10 jsou na obr,1 znázorněny jako blok 30. Blok 30 je spojen dvousměrnou datovou cestou 31 s povelovou řídící jednotkou 50 za účelem přivádění řídících povelů k této povelové řídící jednotce 50, která je pak převádí na příslušné povely pro různé výkonové prvky jako je výkonová řídící jednotka 14, pomocný zdroj 16. a trakční motor 40. Blok 30 je zároveň spojen cestou 32 s třecími brzdami 36a a 36b za účelem jejich přímého řízení obvyklým hydraulickým brzdícím systémem spojeným s pedálem brzdy.

Obr.2 znázorňuje vzájemné propojení některých prvků výkonové řídící jednotky 14 z obr.1 s dalšími prvky z téhož obrázku. Výkonová řídící jednotka 14. obsahuje zejména usměrňovač 26 spojený s pomocným zdrojem 16 za účelem převedení střídavého výstupu pomocného zdroje 16. na stejnosměrné napětí, pokud je to zapotřebí. Výkonová řídící jednotka 14. rovněž obsahuje dvousměrný pohonný řídící systém, který dále obsahuje převodník 28 stejnosměrného proudu na střídavý, který je spojen silovými spoji s baterií 20. s usměrňovačem 26 a s trakčním motorem 40. Funkce převodníku 28, pomocného zdroje 16. a trakčního motoru 40 jsou řízeny, jak bylo výše uvedeno, povelovou řídící jednotkou 50. Je třeba poznamenat, že kromě převodníku 28. stejnosměrného proudu na střídavý proud, obsahuje pohonný řídící systém napěťové a proudové sensory za účelem snímání různých pracovních parametrů motor/generátoru, baterie a pomocného elektrického zdroje. Při základní funkci zařízení podle obr.1 a 2 řídí povelová řídící jednotka 50 jednotlivé spínače (nejsou znázorněny) převodníku 28 povely s modulovanou šířkou impulsu, což má za následek generaci aproximace střídavého napětí se zvoleným kmitočtem a velikostí na tom portu 28m převodníku 28, který je spojen s trakčním motorem 40. Ve výhodném provedení vynálezu je převodník 28 typ pro řízení buzení a trakční motor je obdobně indukční motor s řízením buzení. Kmitočet a velikost řízeného střídavého proudu přiváděného na trakční motor 40 jsou voleny tak, aby byl motor poháněn zvoleným trakčním proudem při zvolené rychlosti motoru. Trakční motor 40 obecně produkuje zpětnou elektromotorickou sílu, která se zvětšuje se zvyšováním rychlosti motoru a převodník 28 musí vyrábět (na základě povelů z povelové řídící jednotky 50) střídavé napětí, které se zvětšuje co do velikosti se zvyšováním kmitočtu střídavého napětí tak, aby se udržoval stejný poháněči proud trakčního motoru. Motor se otáčí kmitočtem konsistentním s povelovým kmitočtem výstupu převodníku 28. Při základní funkci elektrického vozidla podle obr.1 a 2 se tedy může provádět jak dynamické brzdění, tak brzdění třením. Více je upřednostňováno dynamické brzdění, neboť tím, že trakční motor pracuje jako elektrický generátor při zpomalení vozidla se opět získává kinetická energie svázaná s pohybem vozidla. Během intervalů, v nichž se objevuje dynamické brzdění, pracuje převodník 28 stejnosměrného proudu na střídavý proud z obr.2 ve druhém neboli regeneračním směru a přeměňuje střídavé napětí produkované trakčním motorem 40 na stejnosměrné napětí, které nabíjí trakční baterii 20. Dále, pokud je elektrické vozidlo hybridní elektrické vozidlo, obsahující pomocný elektrický zdroj 16, může být tento pomocný zdroj 16. v provozu během provozu vozidla za účelem dobití baterie a/nebo zajištění části trakční energie v závislosti na povelech povelové řídící jednotky 50. 8 • · 8 • ·

Je nutno poznamenat, že když elektrické vozidlo pracuje v normálním módu užívajícím dynamické brzdění a baterie jsou plně nabity, má dynamické brzdění za následek přivádění nabíjecího proudu do již nabité baterie. Charakteristiky olověného akumulátoru jsou takové, že v takovéto situaci, kde se přivádí nabíjecí proud na plně nabitou baterii, se napětí baterie výrazně zvýší k hodnotě kolem 16 voltů z hodnoty 13 voltú u plně nabité, nominálně 12-ti voltové, baterie bez odběru proudu. Tím je zajištěna indikace povelové řídící jednotce, že se dosáhlo stavu přebíjení. Jestliže povelová řídící jednotka odpojí energii generovanou dynamickým brzděním od baterie, což je nezbytné pro ochranu baterie, napětí baterie ihned klesne na svou hodnotu plného nabití bez odběru proudu. Toto naopak dovoluje řídící jednotce dynamického brzdění znovu začít dodávat energii do baterie až do doby, kdy začne působit řízení přepětím. To vede k periodickému dynamickému brzdění při pulzní rychlosti dané charakteristikami smyčky povelové řídící jednotky a vytváří se pozorovatelné brzdné vibrace a rovněž tak tendence k přebíjení baterie během částí pulzního intervalu. Jak přebíjení, tak i vibrace jsou nežádoucí.

Obrázky 3a a 3b společně ilustrují pravidla řízení v souladu s vynálezem, která dovolují plnou regeneraci neboli návrat energie odvozené od dynamického brzdění do trakčních baterií během těch intervalů, v nichž jsou trakční baterie ve stavu nabití nižším než je částečné nabití, kde toto částečné nabití je menší než plné nabití a která v úrovních nabití trakční baterie ležících mezi částečným a úplným nabitím zmenšují část regenerované energie odvozené od dynamického brzdění způsobem, který odpovídá nebo je funkcí existujícího stavu nabití vzhledem k / 9 • · · · • · · ·

·· ·· • · · • · · ·«· ··· ·· ·· rozdílu nabití mezi předem určenou hodnotou nabití a plným nabitím. V jednom provedení vynálezu je tento vztah monotónní a může být lineární. Na obr.3a znázorňuje diagram 310 stupeň regenerace jako funkci stavu nabití trakční baterie podle pravidel řízení v souladu s vynálezem. Podrobněji tedy diagram 310 definuje část 312. která má konstantní hodnotu regenerace dynamického brzdění, rovnající se 100% regeneraci nebo se k této hodnotě pokud možno blíží. Při plném nabití je velikost regenerace energie odvozené od dynamického brzdění pokud možno snížena téměř na nulu nebo tak blízko nule, jak je možné. Pravidla řízení reprezentovaná diagramem 310 dále zahrnují druhou část 314. která monotónně klesá ze 100% regenerace při předem určené nabíjecí úrovni trakční baterie pojmenované „první nabití" k nulové regeneraci při plném nabití této trakční baterie. Efekt regenerační trakce neboli brzdění vozidla jako funkci stavu nabití trakční baterie je znázorněn diagramem 320 na obr.3b. Na obr.3b obsahuje diagram 320 první část 322. která má konstantní hodnotu representující maximální regenerační trakci od nízkých úrovní nabití k „první" úrovni nabití trakční baterie. Druhá část 324 diagramu 320 představuje regenerační trakci, která monotónně klesá od 100% při „první" nabíjecí úrovni k 0% při plném nabití. Ačkoli jsou části 314 a 324 diagramů 310 a 320 znázorněny jako lineárně klesající, je pro účely řízení dostatečné jsou-li části 314 a 324 monotónní. Tato monotónní redukce při dynamickém brzdění není pro řidiče vozidla pozorovatelná, neboť stav nabití trakční baterie se mění pomalu a proto se mění pomalu velikost regeneračního brzdění. Protože se regenerační brzdění mění pomalu, třecí brzdy postupně kompenzují deficit mezi dynamickým brzděním a požadovanou brzdící silou. Toto má za následek snížení vibací, které jsou zřetelné, když pravidla řízení chrání trakční baterii před přebíjením prostým zastavením regenerace, když jsou baterie plně nabity.

Obr.4 je zjednodušený vývojový diagram znázorňující část 400 pravidel řízení řídících povelovou řídící jednotku 50 řízení z obr.1, která má za následek činnost reprezentovanou obr.3a a 3b. Na obr.4 začíná činnost v bloku 410 START a pokračuje do bloku 412. který představuje monitorování parametrů trakční baterie (20 z obr.1) jako je teplota, napětí a proud a rovněž tak zaznamenávání času. Vzorky těchto parametrů mohou být snímány v častých vzorkovacích intervalech jako například při každém průchodu smyčkou z obr.4. Z logického bloku 412 se přechází do bloku 414. který představuje odhad stavu nabití trakční baterie určením množství náboje, který byl do baterie dodán a odečtením množství náboje, který byl z baterie odebrán. Měření tohoto náboje je v ampérhodinách. Jakmile je udělán odhad stavu nabití trakční baterie, pokračuje se do rozhodovacího bloku 416. kde se porovnává současný neboli právě odhadnutý stav nabití trakční baterie s předem určenou hodnotou nabití, představovanou úrovní „první nabití" z obr.3a a 3b. Jak bylo uvedeno výše, je tato úroveň nabití menší než plné nabití. Pokud rozhodovací blok 416 zjistí, že odhadnutá úroveň nabití trakční baterie je nižší než úroveň prvního nabití, pokračuje se z rozhodovacího bloku 416 výstupem YES k dalšímu bloku 418. který představuje povolení k použití plné regenerační brzdící energie neboli výkonu. Akce provedená v bloku 418 může být například nastavení budícího proudu trakčního motoru (pracujícího v módu generátor) během brzdění tak, aby se maximalizoval elektrický výstup trakčního motoru. Je třeba poznamenat, že některé typy motor/generátorů nemají žádné oddělené budící vinutí, ale mají spíš množiny vinutí, kde se • · · · ···· žádoucí proud v jednom vinutí indukuje řízeným proudem v jiném vinutí. Pro cíle vynálezu je jedno jakým způsobem je budící proud generován a je postačující, když je generován v požadované velikosti. Z bloku 418 se pokračuje zpět do bloku 412 za účelem započetí dalšího opakování smyčky. Protože je hybridní elektrické vozidlo provozováno v tomto stavu, bude trakční baterie často plněji nabita díky průběžnému injektování energie (způsobeno činností pomocného spalovacího motor/generátoru) do systému pro akumulaci energie, který zahrnuje trakční baterii a pohyb vozidla.

Stav nabití trakční baterie nakonec přesáhne úroveň „první nabití" znázorněnou na obr.3a a 3b. V tomto čase se změní opakované průchody povelové řídící jednotky 50 z obr.1 tou částí její předem naprogramované logiky, která je reprezentovaná logickou smyčkou 400. neboť logický tok nebude dále směrován k výstupu YES rozhodovacího bloku 416, ale místo toho bude směrován k výstupu NO. Od tohoto výstupu NO rozhodovacího bloku 416 se přechází k dalšímu bloku 420. který představuje snížení velikosti regenerativního výkonu nebo energie dostupné ve formě kinetické energie vozidla, v opačném poměru nebo proporci vzhledem k současné velikosti náboje vztažené k rozdílu mezi plným nabitím a první úrovní nabití z obr.3a a 3b. Je-li tedy současný stav nabití 70% na cestě mezi prvním nabitím a plným nabitím, jak je znázorněno pomocí Cc na obr.3a a 3b, množství pohybové energie, které lze obnovit a připojit na baterii, je 30%. Když úroveň proudového nabití dosáhne 100%, je dovolená regenerace 0%. Jak bylo uvedeno výše, řízení připojování energie nebo výkonu z trakčního motoru pracujícího jako generátor může být jednoduše provedeno regulací točivého momentu u střídavého motoru řízeného buzením. Ve skutečném provedení vynálezu je točivý moment snižován proporcionálně k rychlosti, čímž se řídí množství energie vyrobené motorem pracujícím jako generátor, které je vraceno trakční baterii.

Jak bylo dosud popsáno, logika z obr.4 řídí regeneraci podle stavu nabití trakční baterie. To znamená, že zpomalovací síla působící na vozidlo pomocí trakčního motoru, pracujícího jako generátor, je během brzdění snižována. Jednou z výhod elektrického vozidla, které používá regenerativní brzdění je, že na třecích brzdách se nepožaduje, aby přebíraly veškeré brzdění, a tak jejich návrh a konstrukce může být taková, aby se využilo výhody menšího využívání, například mohou být lehčí konstrukce. Jak bylo dosud popsáno ve spojení s logikou z obr.4, je dynamické brzdění redukováno při určitých podmínkách nabití trakční baterie. Pro zajištění dodatečného brzdění během těch dob, kdy je regenerativní brzdění redukováno, přechází se podle dalšího aspektu předkládaného vynálezu z bloku 420 z obr.4 k dalšímu bloku 422. který představuje snížení účinnosti trakčního motoru pracujícího jako generátor. Toto snížení účinnosti trakčního motoru pracujícího jako generátor může být provedeno nastavením buď prokluzu nebo proudu v budícím vinutí, nejlépe obojím. Z bloku 422 na obr.4 se logika vrací do bloku 412 za účelem zahájení dalšího opakování průchodem logickou smyčkou 400.

Jak bylo dosud popsáno, vibrace nebo kolísavý výkon jsou výsledkem ochrany plně nabité baterie před dodatečným nabíjením. Podobný efekt vzniká při zrychlení s téměř vybitou baterií. Během zrychlení vozidla 10. z obr.1, jsou jak trakční baterie 20, tak pomocný neboli sekundární 13 ♦ ♦··· ·♦ ♦ • ♦ ♦ ♦ • · • · • · » · ♦ • ♦ • · ♦ ·· * ·♦ ··* ·· ·· • · · · f ♦ « I · » • · ··· ··· • · · ·· ·· ·· elektrický zdroj 16. (spalovací motor/generátor) použitelné jako zdroje elektrické energie pro trakční motor 40. V důsledku toho může trakční motor 40 zabezpečovat výkon o intenzitě, která je součtem maximálního výkonu, který může být odebírán z trakční baterie 20 a maximálního výkonu, který může poskytnout pomocný zdroj 16. To je vhodné pro provoz ve městě, kde náhlá zrychlení mohou vyžadovat značný výkon. Za určitých podmínek může ale řízení ochrany trakční baterie způsobit určitý druh vibrací, jestliže jednoduše zastaví odebírání energie z trakční baterie, když tato baterie dosáhne stavu nabití, který je považován za vybitý stav. Tyto vibrace se objeví jestliže vozidlo jede po dlouhou dobu do kopce, tak jako při přejezdu kontinentálního předělu. Jestliže velikost využívání energie při stoupání vozidla přesahuje velikost energie dodávané pomocným zdrojem 16., bude se baterie postupně vybíjet a dosáhne časem úrovně nabití, považované za úroveň „vybito". Jestliže by v této době řídící jednotka trakční baterie jednoduše odpojila trakční baterii od obvodu trakčního motoru, velikost proudu dostupného pro trakční motor by se prudce snížila na úroveň zajišťovanou pomocným zdrojem 16. s následkem prudké změny v trakčním výkonu a vozidlo by prudce snížilo rychlost. Zamezení vybíjení trakční baterie do trakčního motoru umožní, že napětí baterie rychle stoupne na napětí naprázdno. Jestliže řídící jednotka toto zvýšení napětí interpretuje jako indikaci toho, že trakční baterie má použitelný náboj, může trakční baterii znovu připojit k trakčnímu motoru, čímž se opět zajistí přídavný trakční výkon z trakční baterie, ale to má za následek, že napětí trakční baterie poklesne. Odborníci v oboru toto znají jako oscilační podmínku, která může způsobit, že vozidlo „bafá" nebo sebou při stoupání opakovaně trhá. 14 • Φ ···· • · · · ··· ··· V tomto bodě je třeba poznamenat, že „plně" vybitá baterie, v souvislosti s požadovanou dlouho životností této trakční baterie, stále ještě obsahuje značný náboj, protože životnost takových baterií se prudce snižuje, je-li velikost vybití příliš velká. Vybitá baterie pro účely elektricky poháněných vozidel je tedy taková, jejíž stav nabití je takový, že je považován za stav plného vybití, ale která stejně ještě obsahuje značný náboj. U hybridního elektrického vozidla zajišťuje pomocný zdroj energie tuto energii plynule, což lze použít pro nabíjení trakčních baterií je-li potřeba trakce menší než výstup pomocného zdroje energie. Pravidla řízení dovolují, aby energii pro trakční motor zajišťoval jak pomocný zdroj energie, tak trakční baterie. Pokud potřeba trakčního motoru překročí výstup pomocného zdroje, je z trakční baterie odebírán proud, což způsobí pokles jejího napětí. Je-li trakční baterie blízko stavu úplného vybití, pokles napětí díky tomuto odběru proudu může být takový, že spustí ochranu baterie tím, že zastaví odběr proudu z baterie. Odstranění odběru proudu podle pravidel řízení opět způsobí, že vozidlo bude napájeno pouze pomocným zdrojem a umožní se vzrůst napětí trakční baterie. Když napětí trakční baterie stoupne, pravidla řízení dále již nebudou považovat baterii za vybitou a je opět umožněn proudový odběr z baterie. Proces opakovaného připojování a odpojování trakční baterie k trakčnímu motoru tvoří oscilace řídícího systému. Tyto oscilace vyúsťují v trakční sílu, která se mění s rychlostí oscilací řídícího systému a která může být pro obsluhu vozidla patrná. V souladu s dalším aspektem vynálezu řídí povelová řídící jednotka 50 velikost výkonu, který může být odebírán z trakční baterie v odezvě na stav nabití této trakční baterie. 15 • ···· ·· · • · « · • · ·· · · ·· ···· ·· • t » · · · Μ· ··· • · »* Το vylučuje výše popsané „bafání" a dovoluje hladké snížení rychlosti, kterou může vozidlo stoupat, při snižovaní náboje baterie. Obr.5 zobrazuje diagram 500. který představuje výsledek řízení v souladu s vynálezem. Na obr.5 je vynesen trakční výkon dostupný pro vozidlo v závislosti na stavu nebo úrovni nabití trakční baterie. Diagram 500 zahrnuje část 510. která znázorňuje trvalý výkon pomocného zdroje 16 elektrické energie neboli výkon, který má poměrně nízkou úroveň. Část 510 diagramu se nalézá mezi úrovní menší než je stav jmenovitého vybití k úrovni nabití označené jako bod nízkého nabití", což je stav jmenovitého vybití trakční baterie. V provozní oblasti prezentované částí 512 diagramu je dostupný trakční výkon vozidla na relativné vysoké úrovni, představující součet výkonu baterie a pomocného výkonu. Tato maximální výkonová úroveň představovaná částí 512 diagramu se nalézá mezi stavem nabití nazvaným „první nabití" a stavem plného nabití. Mezi stavem „nízké nabití" trakční baterie a stavem „první nabití" je velikost trakčního výkonu závislá na stavu nabití trakční baterie, jak je naznačeno v části 514 diagramu Výsledkem tohoto typu řízení je umožnění provozu při plném trakčním výkonu po dobu, dokud není trakční baterie částečně vybita na „první" úroveň. Když trakční baterie klesne pod první úroveň, velikost výkonu baterie dostupná pro trakční motor se pomalu sníží tak, že to není téměř zaznamenatelné. Toto pomalé snížení výkonu v bodě těsně pod první úrovní nabití (obr.5) poněkud sníží rychlost vybíjení trakční baterie. Je-li kopec dlouhý, může se trakční baterie dále vybíjet. Jak se trakční baterie dále vybíjí v oblasti mezi stavy „nízký" a „první" z obr.5, je pro trakční motor k dispozici úměrně méně výkonu baterie, což má za následek další zpomalení vozidla. Pro nejdelší kopce nakonec trakční baterie dosáhne stavu nabití „nízký", který je považováno za jmenovité vybití. Když je tato úroveň dosažena, není z trakční baterie odváděna žádná další energie a stav nabití trakční baterie obecné nemůže poklesnout pod úroveň nabití „nízký" v části 510 diagramu, pokud neexistuje žádný jiný odběr z trakční baterie jako při nouzovém zrušení ochrany baterie, například při velkém nebezpečí hrozícím vozidlu nebo cestujícím. Při řízení tak jak je zakresleno na obr.5 není v žádném bodě podél řídící křivky velká změna v trakčním výkonu. Je-li náboj baterie právě nad bodem „nízké" nabití a přechází se na plný provoz z pomocného elektrického zdroje, je už velikost tažného výkonu dodávaného trakční baterií velmi malá a změna bude pro řidiče vozidla nepostřehnutelná.

Obr.6 je zjednodušený vývojový diagram, který znázorňuje tu část 600 logiky povelové řídící jednotky 50, která zajišťuje řízení v souladu s diagramem 500 z obr.5. Činnost na obr.6 začíná povelem START v bloku 610 a pokračuje do bloku 612. který představuje čtení charakteristik baterie, stejně jako blok 412 v obr.4. Z bloku 612 se pokračuje do bloku 614. který reprezentuje odhad stavu nabití, jak bylo rovněž obecně popsáno v obr.4. Rozhodovací blok 616 z obr.6 určí, zda současný stav nabití je nad bodem nabití „první" (obr.5) a směruje logický tok na výstup YES rozhodovacího bloku 616 v případě, že stav nabití je větší než bod nabití „první". Z výstupu YES rozhodovacího bloku 616 se pokračuje do bloku 618. který představuje zdostupnění plné trakční síly pro trakční motor. Toho se dosáhne odstraněním výkonových limitů, jak je popsáno ve vztahu k obr.7a a 7b, v software řídícím převodník při vzetí na vědomí toho, že pomocný zdroj je pouze zdrojem, zatímco baterie a motor/generátor mohou být zdroje nebo příjemci v závislosti na funkci převodníku. Z bloku 618 pokračuje logický tok zpět do bloku 612. kde • • · « · ·· • · ♦ · 99 99 • 0 • • · • • 9 9 9 • • ♦ • 9 9 9 9 • • • · » * 9 ·99 99 9 • • • · • · 9 • 9 • 9 • · 99 9 9 začíná další opakování smyčky. Obecné tedy, když se začíná s trakční baterií, která je téměř plně nabita, bude se opakovat smyčka tvořená bloky 612. 614. 616 a 618 z obr.6 tak dlouho, dokud náboj trakční baterie bude přesahovat náboj představovaný úrovní nabití „první" z obr.5. Při dlouhém stoupání může náboj trakční baterie nakonec klesnout na úroveň rovnou nebo nižší než je bod nabití „první" z obr.5 a při dalším opakování smyčky z obr.6 bude rozhodovací blok 616 opuštěn výstupem NO a pokračuje se do bloku 620. Blok 620 představuje snížení velikosti výkonu dostupného pro trakční motor z trakční baterie o velikost, odpovídající velikosti současného náboje trakční baterie ve vztahu k rozdílu v náboji mezi „prvním" a „nízkým" stavem nabití z obr.5. Například, klesne-li současná úroveň nabití trakční baterie pod stav nabití „první" z obr.5 k úrovni znázorněné v obr.5 jako „současné nabití", která je na 9/10 cesty mezi úrovněmi nabití představovanými úrovněmi „první" a „nízký", řídící jednotka 50 nastaví velikost výkonu dostupnou pro trakční motor z trakční baterie tak, že je 90% složky dodávané baterií plného výkonu představovaného částí 512 diagramu. Jinak řečeno, protože současný stav nabití indikovaný v obr.5 jako „současné nabití" je 90% složky plného trakčního výkonu, která je zajišťována baterií, je výkon baterie dostupný trakčnímu motoru redukován na 90% výkonu baterie. Přirozené neexistuje žádný požadavek, aby část 514 diagramu z obr.5 byla lineární, jak je znázorněno, ale pokud je alespoň monotónní, je řídící systém zjednodušen. Z bloku 620 na obr.6 se pokračuje do rozhodovacího bloku 622. který porovnává požadavek na výkon trakčního motoru s výkonem z pomocného zdroje elektrické energie. Pokud požadavek na trakční výkon přesáhne výkon z pomocného zdroje, baterie se vybijí a rozhodovací blok 622 se spustí výstupem YES. Z výstupu YES rozhodovacího bloku 622 se přechází do bloku 624. který představuje zvýšení dostupného výkonu z pomocného zdroje na jeho maximální hodnotu. Z bloku 624 se pokračuje do rozhodovacího bloku 626. kde se porovnává současný stav nabití trakční baterie s bodem nabití „nízké" z obr.5. Je-li stav nabití pod bodem nízké „nízké", což indikuje, že trakční baterie nemůže být dále vybíjena, aby nedošlo k jejímu poškození, přechází se z bloku 626 výstupem YES do logického bloku 628. Tento blok 628 představuje omezení výkonu trakčního motoru pomocí řízení buzení na známou hodnotu výkonu dostupného z pomocného zdroje elektrické energie, určeného snadno jako součin napětí a proudu. Z bloku 628 se pokračuje cestou 630 zpět do bloku 612 a začíná další opakování logické cesty z obr.6. Jestliže je současný stav nabití větší než bod nabití „nízké" z obr.5, když rozhodovací blok 626 zkoumá stav nabití trakční baterie, opouští se rozhodovací blok 626 výstupem NO a pokračuje se přes logickou cestu 630 zpět do bloku 612. aniž by se prošlo blokem 628. Takto, když je v trakční baterii značný použitelný náboj, dovolí ho logika z obr.6 použít. Jestliže se během průchodu rozhodovacím blokem 622 shledá, že trakční výkon není větší než výkon produkovaný pomocným zdrojem 16., opustí logika rozhodovací blok 622 výstupem NO a pokračuje cestou 630 do bloku 612. kde začne další opakování. Tato cesta obchází zvýšení výkonu pomocného zdroje 16 na maximum.

Obr.7a znázorňuje zjednodušený parametrické diagramy 710a. 710b. 710c.....710N výkonu motoru (nebo generátoru) vzhledem k rychlosti. Na obr.7 mají diagramy 710a. 710b. 710c.....710N společnou skloněnou část 712. Výkon motoru nebo generátoru je výsledkem součinu točivého momentu a rychlosti. V důsledku toho při nulové rychlosti je výkon nulový bez ohledu na točivý moment. Když se rychlost zvyšuje při konstantním točivém momentu, zvyšuje se výkon, jak naznačuje část 712 diagramu na obr.7, až do hodnoty rychlosti Obase· Návrh motor/generátoru je takový, že nad kmitočtem Obase z teplotních a jiných důvodů se nemůže pracovat s větším výkonem. V důsledku toho je výkon motor/generátoru při maximálním točivém momentu limitován pravidly řízení převodníku tak, aby odpovídal diagramu 710a. Je-li točivý moment poněkud nižší než maximální točivý moment, dosáhne se maximálního výkonu při o něco nižší rychlosti motoru než je <obase, což prezentuje diagram 710b. Diagram 710c představuje ještě nižší velikost točivého momentu a nejnižší diagram 710N představuje nejmenší točivý moment, který může kvantovaný řídící systém udržet. Řídící systém bude omezovat točivý moment vytvořený motorem na limitní hodnotu, závisející na rychlosti, aby ochránil motor před provozováním nad žádoucími limity maximálního výkonu. Mezní točivý moment se snadno určí vydělením maximálního výkonu současnou rychlostí motoru mezní točivý moment = Pmax/rychlost a výsledné omezení točivého momentu způsobí omezení výkonového diagramu na hodnotu, která není vyšší, než uvádí obr.7a v diagramu 710a a v části 712. Má-li být výkon omezen na hodnotu nižší než je Pmax, bude výkonový diagram motoru odpovídat jednomu z diagramů 710b. 710c...... 710N na obr.7a.

Obr.7b je zjednodušené blokové schéma znázorňující vzájemný vztah povelu pro točivý moment a omezovače výkonu. Povel pro točivý moment je na obr.7b veden do bloku omezovače 714. který upraví velikost povelu pro točivý 20 • • · • 4 • * • • • «·· • at #««· ·· »· « * • » • «· * · » «· * » • · ψ·· ·* §· « IM ·· moment (Limited Torque_Cmd), který přichází do převodníku 28 pro řízení buzení tak, že omezuje výkon, aby ležel pod křivkou 716. Křivka 716 je diagram točivého momentu v závislosti na rychlosti, určený vydělením vybraného nebo daného výkonu P rychlostí motoru. Takto může převodník 28 pro řízení buzení řídit výkon motoru řízením točivého momentu vzhledem k rychlosti motoru. Točivý moment může být trakční neboli poháněči moment nebo to může být zpožďovací neboli brzdící moment. Je-li žádáno řízení výkonu vedeného do baterie z motoru, pracujícího jako generátor, příslušné povely pro řízení buzení vykonávají omezující funkci.

Na obr.8 je požadovaný točivý moment nebo příkaz pro točivý moment odvozen z elektrického akcelerátoru, který není znázorněn, a je veden cestou 810 na první vstup násobiče 812. na jehož druhý vstupu 814 se přivádí snímaná rychlost vozidla (nebo rychlost trakčního motoru je-li vozidlo vybaveno měnitelnými převody) ze snímačů, které též nejsou znázorněny. Násobič 812 vytvoří ze součinu rychlosti motoru a povelem nastaveného točivého momentu signál reprezentujícího povelem nastavený výkon, který má být přiveden na trakční motor. Blok 816 váží, pokud je to nutné, povelem nastavený výkon konstantou k za účelem přeměny signálu na reprezentaci Pc povelem nastaveného výkonu trakčního motoru ve wattech. Signál Pc přestavující povelem nastavený výkon ve wattech je veden z bloku 816 na další blok 818. který představuje dělení povelem nastaveného výkonu ve wattech napětím trakční baterie za účelem získání signálu představujícího povelem nastavený proud trakčního motoru U = P/E. Napětí trakční baterie je přijatelné jako indikátor napětí trakčního motoru, protože všechna napětí v systému se blíží k napětí baterie. Signál reprezentující 21 • «Μ ·· ···· ··

povelem nastavený proud lc je přenesen signálovou cestou 819 do části povelové řídící jednotky 50 z obr.1 za účelem řízení převodníku 28 pro řízení buzení a trakčního motoru 40 způsobem, který vytvoří požadovaný proud motoru. Signál představující povelem nastavený proud lc je rovněž přiváděn z výstupu bloku 818 přes vážící obvod znázorněný jako blok 820 na generátor 822 chybového signálu. Účel vážícího obvodu 820 je vysvětlen níže, ale výsledkem jeho činnosti je přeměna povelem nastaveného proudu motoru lc na povelem nastavený proud generátoru lG. Generátor 822 chybového signálu generuje chybový signál odečtením zpětnovazebního signálu ze signálové cesty 824. představujícího sejmutý výstupní proud spalovacího motoru/generátoru (generátor), od povelem nastaveného proudu lG generátoru. Chybový signál vytvořený generátorem 822 chybového signálu je veden do smyčkového filtru 826. kterým může být jednoduchý integrátor, za účelem vytvoření signálu představujícího povelem nastavenou rychlost pomocného zdroje 16, elektrické energie, zejména naftového motoru 18. Naftový motor 18 pohání elektrický generátor 22 za účelem vzniku střídavého výstupního napětí, které se přivádí výkonovými vodiči 832 na převodník 28 z obr.1. Proudový snímač znázorněný jako kroužek 834 ie připojen na výstupní vodiče 832 za účelem snímání proudu generátoru. Bloky 822. 826. 18. 22 a 824 z obr.8 společně vytvářejí uzavřenou zpětnovazební smyčku, která nastavuje výstupní proud generátoru 22 na velikost povelově nastavenou pomocí řídícího signálu lc, přivedeného na generátor chybového signálu. Smyčkový filtr 826 je zvolen tak, aby zabraňoval velmi rychlým změnám rychlosti naftového motoru, které by mohly vést k nežádoucímu zvýšení emisí škodlivin. ·· ··♦· • · · · · · · • · ··· ···· - _ · · · · · · · ··· ··· 22 · · · · · · · · • ·» · ·· ·· ·· ·♦

Jak bylo doposud popsáno, uspořádání podle obr.8 vytváří signál lc pro povelové nastavování proudu trakčního motoru za účelem řízení pohybu vozidla a rovněž tak vytváří signál lG, který řídí proud pomocného generátoru 22. Na obr.8 je signál, představující žádaný stav nabití (SOC) trakční baterie, přiváděn na neinvertující vstup sčítacího obvodu 850. Signál představující současný stav nabití je přiváděn na invertující vstup tohoto sčítacího obvodu 850 z bloku 852 určujícího stav nabití baterie (SOC). Na blok 852 SOC jsou vedeny signály představující napětí baterie, teplotu baterie a proudy baterie. Všeobecně je stav nabití baterie časový integrál vstupních a výstupních proudů. Blok 852 SOC integruje ampéry proudu za účelem získání ampérhodin nabití. Sčítací obvod 850 vytváří na signálové cestě 854 chybový signál, který představuje rozdíl mezi žádoucím neboli povelem nastaveným stavem nabití trakční baterie a jejím skutečným stavem nabití, čímž se identifikuje okamžitý přebytek nebo nedostatek náboje. Chybový signál je přiváděn na smyčkový filtr 856. který integruje chybový signál za účelem vytvoření integrovaného chybového signálu. Tento integrovaný chybový signál se mění pomalu jako funkce času. Integrovaný chybový signál působí na blok 820 prostřednictvím omezovače 828. Podrobněji lze říci, že když je integrovaný chybový signál přiveden na vážící blok 820. vybere vážící faktor, kterým je vážen povelem nastaveným proud motoru lc za účelem jeho převedení na povelem nastavený proud generátoru. Omezovač 858 pouze omezuje integrovaný chybový signál z bloku 856 tak, že oblast vážících faktorů vážícího bloku 820 je omezena na oblast mezi nulou a jednotkou. Takto nemůže být nikdy povelem nastavený proud generátoru lG větší než povelem nastavený proud trakčního motoru lG, ale může být menší v souladu s vážícím faktorem nastaveným omezeným 23

23 Μ I9M

• MM • · ·9 • ··· ····· • · ··· · · · · • · ·« · ·· ······ • · ···· · · ··· · · Μ ·· · · integrovaným signálem z omezovače 858 a povelem nastavený proud generátoru lG může být až nulový. Žádoucí stav nabití trakční baterie je úroveň nabití, která je nižší než plné nabití, takže regenerativní brzdění může být použito bez nebezpečí poškození trakční baterie přebitím. Nastavená hodnota žádoucího stavu nabití je tedy nabití menší než plné. Funkci uspořádání podle obr.8 lze pochopit za předpokladu, že normální stav výstupu integrátoru ve smyčkovém filtru 856 je 0,5 voltů, tedy polovina mezi maximem 1 volt a minimem 0 volt, povolenými omezovačem 858. Hodnota integrovaného chybového signálu (jak je limitována omezovačem 8581 může být považována za násobící faktor, kterým vážící obvod 820 váží povelem nastavený proud trakčního motoru, takže integrovaný chybový signál o hodnotě 1,0 způsobí, že je povelem nastavený proud trakčního motoru lc přenášen s plnou amplitudou generátorem 822 chybového signálu, zatímco hodnota 0,5 bude mít za následek, že velikost povelem nastaveného proudu generátoru lG bude přesně polovina velikosti povelem nastaveného proudu trakčního motoru lc. Když při provozu vozidla řízeného pomocí uspořádání z obr.8 trakční baterie překročí žádoucí stav nabití, odečte generátor 850 chybového signálu velkou signálovou hodnotu představující stav vysokého nabití od nastavené hodnoty, čímž vytvoří rozdíl neboli chybový signál mající zápornou polaritu. Integrátor ve smyčkovém filtru 856 integruje tento signál záporné polarity, který „snižuje11 nebo stahuje do záporných hodnot čistý integrovaný signál na výstupu smyčkového filtru 856 od jeho „normální11 hodnoty 0,5 voltů, například k 0,3 voltům. Protože hodnota 0,3 voltů integrovaného chybového signálu leží v povolené oblasti omezovače 858. protéká integrovaný chybový proud omezovačem 858 do vážícího obvodu 820 tak, že se povelem nastavený proud trakčního motoru lc násobí 0,3krát namísto „normálních" 0,5krát při vytváření povelem nastaveného proudu generátoru lc. Stav nabití baterie větší než je žádoucí nastavená hodnota má takto za následek zmenšení průměrného výstupu generátoru. Stejně tak, jestliže je stav nabití trakční baterie nižší než žádoucí nastavená hodnota, sníží se hodnota signálu přiváděného z bloku 852 z obr.8 na invertující vstup generátoru 850 chybového signálu pod hodnotu signálu představujícího žádoucí SOC, což má za následek kladnou hodnotu chybového signálu na výstupu generátoru 850 chybového signálu. Integrátor svázaný se smyčkovým filtrem 856 integruje kladný vstupní signál tak, že vytvoří integrovaný výstupní signál, který se zvyšuje nad jeho „normální" hodnotu 0,5 V například na hodnotu 0,8V. Protože tato hodnota spadá mezi hodnoty přijatelné pro omezovač 858. 0,8V integrovaného chybového signálu se vede na vážící obvod 820 beze změny. 0,8V integrovaného chybového signálu způsobí, že vážící obvod 820 násobí signál představující povelem nastavený proud trakčního motoru lc 0,8krát, takže je povelem nastavený generátorový proud lG větší než dříve. Výsledný efekt snížení nabití trakční baterie na hodnotu nižší než hodnota nastavená, je zvýšení průměrného výstupního výkonu z generátoru 22., což vede ke zvýšení úrovně nabití trakční baterie. Odborníkům je zřejmé, že „normální" hodnota integrovaného chybového signálu uvedená výše ve skutečnosti neexistuje a je použita pouze proto, aby pomohla porozumět funkci řídícího systému.

Způsob (obr.3a, 3b a 4) provozu vozidla 10, které získává alespoň část své tažné síly nebo hnací energie od jedné nebo více elektrických baterií 20 zahrnuje krok 312, • · · · · • · · · • « I ·· I · · · · • · · t « · · · · Λί # · * · · · · ··· ··· £3 ti ···· · · ··· * ·· ·» ·· ·· 418 návratu v podstatě veškeré energie z trakčního motoru 40 bateriím 20 během dynamického brzdění v době, kdy jsou baterie 20 v prvním stavu nabití (pod první úrovní nabití), který je menší než stav plného nabití. Další kroky 420. 422 způsobu zahrnují vracení 314 méně než veškeré energie z trakčního motoru 40 do baterií 20 v průběhu dynamického brzdění, když jsou baterie na úrovni nabití mezi prvním stavem nabití (obr.3a, 3b) a stavem plného nabití a vracení v podstatě nulové energie (diagram 314 v bodě plné nabití z obr.3a) z trakčního motoru 40 do baterií 20. v průběhu brzdění, když baterie 20 dosáhnou stavu plného nabití.

Kroky 420. 422 vracení méně než veškeré energie z trakčního motoru 40 do baterií 20 zahrnují v tomto provedení krok vracení množství dostupné energie dynamického brzdění do baterií 20, které je monotónně (klesající křivka 314) vztaženo k poměru současného nabití baterie (Cc) ke stavu plného nabití. Ve výhodném provedení vynálezu výše popsané kroky přecházejí pozvolna jeden do druhého v závislosti na stavu nabití baterií. Mění-li se postupně míra dynamického brzdění jako funkce nabití baterie, přebírají třecí brzdy 36a. 36b automaticky veškerou nedostatečnost brzdění jako výsledek síly na brzdící pedál 30a obsluhy.

Claims (3)

1. 49913 • · · t · · • · · ♦ · · ♦ Λ/ ······ 26 ·♦· · ·· ·♦ PATENTOVÉ NÁROKY LePe&brtC· A-fe^o j 1. Způsob provozuVVozidia, které odvozuje alespoň část své tažné síly z elektrických baterií, vyznačující se tím, že se v podstatě veškerá energie z trakčního motoru vrací do baterií během dynamického brzdění, když jsou tyto baterie v prvním stavu nabití, který je nižší než plné nabití, méně než všechna energie se vrací z trakčního motoru do baterií během dynamického brzdění tehdy, když úroveň nabití baterií je mezi tímto prvním stavem nabití a stavem plného nabití a v podstatě žádná energie se nevrací z trakčního motoru do baterií během brzdění tehdy, když tyto baterie dosáhnou stavu plného nabití.
2. 2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že když se vrací z trakčního motoru do baterií méně energie než je veškerá energie, obsahuje tento krok vracení takového množství dostupné energie dynamického brzdění do těchto baterií, které je monotónně vztaženo k poměru uvedeného nabití k plnému nabití.
3. 3. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje krok hladkého přechodu mezi kroky vracení v podstatě veškeré energie a vracení méně než veškeré energie a mezi kroky vracení méně než veškeré energie a vracení v podstatě žádné energie.