ES2254998T3 - Dispositivo para mejorar la operacion de arranque y parada de un vehiculo. - Google Patents
Dispositivo para mejorar la operacion de arranque y parada de un vehiculo.Info
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Abstract
Dispositivo para mejorar la operación de arranque y parada de un vehículo, que contiene - un devanado de excitación asociado al generador de arranque del vehículo y conectado a la red de a bordo del vehículo, - una unidad de control mediante cuyas señales de control se influye en la corriente de excitación que fluye a través del devanado de excitación, - devanados del estator, que pueden conectarse con la red de a bordo del vehículo a través de un convertidor que presenta varios conmutadores, caracterizado porque - presenta una unidad (6) de detector que detecta en la fase de parada de la operación de arranque y parada la posición del eje de devanado del devanado (1) de excitación; - la unidad (6) de detector está conectada con la unidad (7) de control, y - la unidad (7) de control genera señales (s1, ¿, s6) de control para los conmutadores (S1, ¿, S6) del convertidor (UR) para el inicio de una operación de arranque, de tal manera que en los devanados (U, V, W) del estator se crea un flujode corriente que ajusta un campo magnético orientado en la dirección del eje de devanado del devanado (1) de excitación.
Description
Dispositivo para mejorar la operación de arranque
y parada de un vehículo.
La invención se refiere a un dispositivo para
mejorar la operación de arranque y parada de un vehículo.
Con el fin de reducir el consumo de combustible,
se han desarrollado en los últimos años sistemas para una mejora
del sistema eléctrico a bordo del vehículo y una mejora de la
operación de arranque y parada de un vehículo, que presentan un
generador de arranque integrado en el cigüeñal, así como sistemas
que presentan, en lugar de un generador de arranque habitual, un
generador de arranque accionado por correas. En estos sistemas
conocidos existe durante la operación de arranque, en el caso de la
operación de arranque y parada, especialmente cuando la tensión a
bordo disponible es de 12 V, un momento de inercia en el cigüeñal
proporcionalmente pequeño en comparación con un sistema de arranque
convencional. Además, en el caso de un diseño con una corriente
minimizada del generador de arranque accionado por correas o del
generador de arranque integrado, resulta un momento de arranque
máximo proporcionalmente pequeño partiendo del número de
revoluciones cero, en comparación con un sistema de arranque
convencional.
Estos efectos llevan a una fuerte dependencia de
las características de arranque desde la posición de oscilación del
motor de combustión. Al inicio de una fase de arranque, la necesidad
del momento de arranque para un primer intervalo de ángulo de giro
y de tiempo es claramente mayor que en la fase de arranque
posterior. Al emplear un mecanismo de polos intercalados como
generador se alimenta la excitación eléctrica a través del anillo
colector. Con dimensiones habituales del devanado de excitación
resulta una constante de tiempo eléctrica proporcionalmente grande
que se encuentra en el intervalo de los 100 ms. En el caso de
existir un devanado de excitación caliente, por ejemplo a
temperaturas en el intervalo de los 180ºC, tanto la constante de
tiempo como el valor estacionario claramente reducido de la
corriente de excitación es un problema para la dinámica de arranque
en una operación de arranque y parada del vehículo respectivo.
Con respecto a esta operación de arranque y
parada, existen exigencias del fabricante de vehículos según las
cuales, en un denominado arranque en semáforo, el tiempo hasta que
el vehículo se pone en marcha debe situarse en el intervalo de 300
a 500 ms. Resulta problemático satisfacer estas exigencias con los
sistemas conocidos, especialmente con un diseño de momentos
limitado debido al lento establecimiento de los momentos por medio
de la corriente de excitación, especialmente a una alta temperatura
del generador.
Por el documento EP 0 825 700 A1 se conoce un
sistema de suministro de tensión con una potencia de partida
elevada. En este sistema conocido, en caso de una conexión adicional
de un consumidor fuerte, se aumenta la tensión situada en el
devanado de excitación de manera provisional con respecto a la
tensión de la red de a bordo. Este aumento de la tensión se obtiene
mediante devanados adicionales y diodos auxiliares en el generador
o con ayuda de un convertidor de tensión.
A partir del documento DE 197 21 386 A1 se conoce
un dispositivo de arranque para el arranque de un motor de
combustión interna. Este dispositivo de arranque conocido presenta
un motor de arranque que puede conectarse a través de un relé de
arranque con una fuente de tensión y que puede engranarse con el
motor de combustión interna para el arranque. El control del relé
de arranque y/o del motor de arranque se realiza a través de un
aparato de control electrónico. Éste activa las etapas finales de
potencia del semiconductor asociado al relé de arranque y/o al
motor de arranque de tal modo que, al menos en una operación de
arranque y parada, el relé de arranque en el estado parado del
motor de combustión interna presenta su posición de engranaje, es
decir, el piñón del motor de arranque se engrana en la corona
dentada del motor de combustión interna. Así se alcanza, además de
un ahorro de tiempo en el arranque en la operación de arranque y
parada, un engranaje cuidadoso y sin desgaste.
Un dispositivo con las características de la
reivindicación 1 presenta, con respecto al estado de la técnica, la
ventaja de que el tiempo necesario para el establecimiento del campo
de excitación se reduce considerablemente. Esto permite que en la
fase de arranque el momento de giro del motor necesario esté
disponible rápidamente, de modo que el tiempo de arranque que
aparece en sistemas de arranque y parada se acorta en comparación
con los sistemas conocidos. Esto es posible porque mediante una
unidad de detección en la fase de parada de la operación de
arranque y parada, es decir durante un estado de reposo del motor,
se detecta la posición del eje de devanado del devanado de
excitación y la información obtenida se emplea al inicio de la
operación de arranque subsiguiente para establecer, mediante el
convertidor previsto en cualquier caso en el lado del estator y los
devanados del estator, rápidamente o con una constante de tiempo
eléctrica pequeña la energía magnética para el campo de excitación
en el motor.
Una vez realizado esto, finaliza entonces el
flujo de corriente provocado a través del convertidor a través de
los devanados del estator y se libera un flujo de corriente a través
del devanado de excitación, con lo que se realiza un
establecimiento adicional del campo de excitación.
Puesto que la constante de tiempo efectiva en el
estator se encuentra en el intervalo de sólo 2 a 5 ms, el
establecimiento del campo en el motor se realiza a través de los
devanados del estator en aproximadamente 10 ms. En este corto
periodo de tiempo se induce en el devanado de excitación una tensión
positiva en el orden de magnitud de 100 V. Para que esta tensión
elevada no tenga ninguna consecuencia indeseada en la red de a
bordo, se prevé de forma ventajosa entre el devanado de excitación y
la red de a bordo un diodo de desacoplamiento, tal como se indica
en la reivindicación 5.
Otras características ventajosas de la invención
se deducen de su explicación a modo de ejemplo por medio del
dibujo.
La figura 1 muestra un diagrama de circuitos de
un ejemplo de realización para un dispositivo según la invención.
La figura 2 muestra un diagrama para explicar el funcionamiento de
la invención.
La figura 1 muestra un diagrama de circuitos de
un ejemplo de realización de un dispositivo según la invención.
Mediante el dispositivo mostrado se consigue que en una operación de
arranque y parada del vehículo se acorte la fase de arranque en
comparación con los sistemas de arranque y parada conocidos, porque
el momento de giro elevado necesario en la fase de arranque ya se
proporciona después de espacio de tiempo proporcionalmente
corto.
El dispositivo representado en la figura 1
presenta un devanado 1 de excitación que está asociado al generador
de arranque del vehículo. La corriente Ie de excitación que fluye a
través del devanado 1 de excitación fluye dependiendo de señales s7
de control que se proporcionan por una unidad 7 de control. Estas
señales s7 de control se alimentan a un conmutador S7 realizado
como MOSFET, que se abre o se cierra en consecuencia. Un diodo 5
está dispuesto en antiparalelo al conmutador S7, y un diodo 4, en
antiparalelo al devanado 1 de excitación.
Otro diodo 3 está previsto entre la red de a
bordo, en la que se dispone una tensión U_{B} = 12 V, y el
devanado 1 de excitación. Además, en la figura 1 se representan
anillos 2 colectores a través de los que se realiza el suministro
de corriente al devanado 1 de excitación.
La unidad 7 de control está conectada además con
una conexión E1 de entrada, a través de la que se alimenta una
señal derivada de un detector, cuando el conductor del vehículo
acciona el pedal acelerador al final de una fase de parada en la
operación de arranque y parada para arrancar. Además, la unidad 7 de
control está conectada con una conexión E2 de entrada a través de
la que se alimenta una señal derivada de un detector adicional,
cuando el vehículo se detiene por un accionamiento del freno, por
ejemplo en caso de una parada en semáforo.
Además, la unidad 7 de control está conectada con
una unidad 6 de detección mediante la que se detecta la posición
del eje de devanado del devanado 1 de excitación.
La unidad 7 de control genera señales s1,..., s7
de control dependiendo de las señales de entrada alimentadas en
ella, empleando un programa de control almacenado en la unidad 7 de
control.
El estator ST del motor representado en la figura
1, que se trata de un motor de polos intercalados, presenta
devanados U, V, W de fases, que están unidos mutuamente en forma de
estrella.
La activación del devanado del estator se realiza
a través de un convertidor UR PWM, que presenta en total seis
conmutadores S1,..., S6. Los conmutadores S1 y S2 están asociados al
devanado U de fase, los conmutadores S3 y S4, al devanado V de fase
y los conmutadores S5 y S6, al devanado W de fase. En este sentido,
cada devanado de fase está unido con el punto de conexión entre los
dos conmutadores asociados al mismo. Un diodo de rueda libre está
dispuesto en antiparalelo a cada conmutador S1,..., S6. El
convertidor está conectado a la batería del vehículo, en la que se
dispone la tensión U_{B} de la red a bordo de 12 V.
Los conmutadores S1,..., S6 del convertidor UR se
activa por las señales s1,..., s6 de control que se proporcionan
por la unidad 7 de control.
A continuación se explica con más detalle el
funcionamiento del dispositivo representado en la figura 1:
Si el conductor del vehículo acciona el freno
para una parada en semáforo y detiene el vehículo, entonces esto se
detecta mediante un detector que registra el movimiento de giro
inexistente de las ruedas. Las señales de salida de este detector
se envían a la unidad 7 de control a través de la conexión E2 de
entrada. La unidad 7 de control crea en consecuencia las señales
s1,..., s7 de control de tal manera que no fluye corriente ni en el
devanado 1 de excitación ni en los devanados U, V, W de fase.
Durante esta fase de parada del vehículo se
detecta mediante la unidad 6 del detector la posición del eje de
devanado del devanado 1 de excitación. La información obtenida sobre
la posición del eje de devanado se transmite a la unidad 7 de
control y se almacena en ella temporalmente.
Si el conductor del vehículo acciona después el
pedal acelerador para un arranque del vehículo, entonces este
accionamiento del pedal acelerador se detecta por un detector y se
envía a través de la conexión E1 de entrada a la unidad 7 de
control.
Ésta dirige en consecuencia una operación de
excitación rápida de modo que, dependiendo de la posición detectada
del eje de devanado del devanado 1 de excitación, proporciona
señales s1,..., s6 de control para los conmutadores S1,..., S6 del
convertidor UR. Mediante estas señales de control se activan los
conmutadores mencionados de tal manera que en los devanados U, V, W
del estator se crea un flujo de corriente que ajusta un campo
magnético orientado en la dirección del eje de devanado del
devanado 1 de excitación.
Puesto que la constante de tiempo presente en el
estator se encuentra en el intervalo de sólo 2 a 5 ms, el
establecimiento del campo en el motor se realiza a través de los
devanados del estator en aproximadamente 10 ms. En este corto
periodo de tiempo una tensión positiva se induce en el devanado 1 de
excitación en el orden de magnitud de 100 V.
Para que esta tensión inducida en el devanado 1
de excitación no tenga ninguna consecuencia indeseada en el
consumidor dispuesto en la red de a bordo, entre la red de a bordo y
el devanador 1 de excitación se conecta el diodo 3 que actúa como
diodo de desacoplamiento.
Si está establecido el campo magnético orientado
en la dirección del eje de devanado del devanado 1 de excitación,
lo cual es el caso aproximadamente 10 ms tras el inicio de la
operación de arranque, entonces finaliza el flujo de corriente que
aparece a través del convertidor UR en los devanados del estator.
Esto ocurre porque la unidad 7 de control proporciona señales
s1,..., s6 de control para los conmutadores del convertidor UR, que
lleva a los conmutadores mencionados a su posición de conexión
abierta.
La unidad 7 de control genera además una señal s7
de control para el conmutador S7, de tal manera que lo interconecta
y libera un flujo de corriente a través del devanado 1 de
excitación. De este modo puede llevarse a cabo el establecimiento
del campo adicional en el motor a través del circuito de corriente
de excitación.
La figura 2 muestra un diagrama en el que a lo
largo del eje de abscisas se indica el tiempo y a lo largo del eje
de ordenadas la corriente I_{e} de excitación.
La curva K1 ilustra la evolución de la corriente
I_{e} de excitación cuando, tras una activación del pedal
acelerador del vehículo, se conecta la corriente de excitación de un
modo convencional. Es evidente que la corriente de excitación
aumenta comparativamente despacio y se aproxima además de modo
asintótico a su valor final estacionario que se sitúa en el ejemplo
de realización mostrado en aproximadamente 19 A. Por ejemplo, la
corriente de excitación es después de 0,1 s de aproximadamente 7 A,
después de 0,2 de aproximadamente 12 A, después de 0,3 de
aproximadamente 14 A y después de 0,4 s de aproximadamente 16 A.
La curva K2 ilustra la evolución de la corriente
I_{e} de excitación cuando, tras un accionamiento del pedal
acelerador del vehículo, se realiza en primer lugar la excitación
rápida anteriormente descrita empleando el convertidor UR previsto
en cualquier caso en el lado del estator y sólo entonces se libera
el flujo de corriente a través del devanado 1 de excitación. Es
evidente que en este caso la corriente de excitación ya ha
aumentado repentinamente después de aproximadamente 10 ms a un valor
de aproximadamente 10A y se aproxima entonces de manera asintótica
al valor final estacionario mencionado. De la evolución de la curva
k2 se deduce que la corriente de excitación después de 0,1 s es ya
de aproximadamente 13 A, después de 0,2 s es ya de aproximadamente
15 A, después de aproximadamente 0,3 s es ya de aproximadamente 17 A
y después de 0,4 s de aproximadamente 18 A.
Puesto que el motor de polos intercalados
empleado como generador de arranque del vehículo accionado por
correas, con el diseño de devanado en el que se basa el ejemplo de
realización mostrado, se satura de manera intensa a partir de una
corriente de excitación de aproximadamente 12 A, se proporciona
aproximadamente del 70 al 80% del momento de giro máximo ya después
de aproximadamente 70 ms. Esto ocasiona en comparación con el estado
de la técnica un acortamiento fundamental del tiempo de arranque en
la operación de arranque y parada del vehículo.
El funcionamiento descrito da resultados
especialmente buenos cuando el acoplamiento magnético entre los
devanados del estator y el devanado de excitación se encuentra
cerca del 100%. Son requisitos para lograr un acoplamiento
magnético tan ajustado una orientación exacta entre el vector de
corriente en el estator y el eje de devanado del devanado de
excitación del rotor así como una reducida inductividad de
dispersión de los devanados.
En resumen, mediante la invención se consigue que
el tiempo necesario para el establecimiento del campo de excitación
se reduzca en comparación con los sistemas de arranque y parada
conocidos. De este modo puede proporcionarse el momento de giro del
motor necesario rápidamente, con lo que se reduce el tiempo de
arranque en un sistema de arranque y parada. Según la invención, el
convertidor previsto en cualquier caso en el lado del estator se
emplea para establecer en el motor la energía magnética para el
campo magnético con una constante de tiempo pequeña. Esto se lleva
a cabo empleando una detección de la posición del eje de devanado
del devanado de excitación en la fase de parada de la operación de
arranque y parada y una activación que depende de ésta de los
conmutadores del convertidor para el inicio de la fase de arranque
posterior. En la invención no se necesita ningún condensador
adicional en el circuito de excitación, lo que favorece la
resistencia a sacudidas del dispositivo reivindicado. Frente a los
circuitos de conexión de excitación convencionales para generadores
de arranque accionados por correas en aplicaciones
automovilísticas, se emplea un diodo adicional, mediante el que se
evitan efectos indeseados de la alta tensión inducida en el
devanado de excitación, en el consumidor de la red de a bordo.
El algoritmo para la excitación rápida descrita
puede realizarse fácilmente en el transcurso del arranque mediante
sistemas automáticos de estado. Sólo se necesita un pequeño esfuerzo
complementario en el sistema electrónico de control.
Claims (5)
1. Dispositivo para mejorar la operación de
arranque y parada de un vehículo, que contiene
- un devanado de excitación asociado al generador
de arranque del vehículo y conectado a la red de a bordo del
vehículo,
- una unidad de control mediante cuyas señales de
control se influye en la corriente de excitación que fluye a través
del devanado de excitación,
- devanados del estator, que pueden conectarse
con la red de a bordo del vehículo a través de un convertidor que
presenta varios conmutadores,
caracterizado porque
- presenta una unidad (6) de detector que detecta
en la fase de parada de la operación de arranque y parada la
posición del eje de devanado del devanado (1) de excitación;
- la unidad (6) de detector está conectada con la
unidad (7) de control, y
- la unidad (7) de control genera señales
(s1,...,s6) de control para los conmutadores (S1,..., S6) del
convertidor (UR) para el inicio de una operación de arranque, de
tal manera que en los devanados (U, V, W) del estator se crea un
flujo de corriente que ajusta un campo magnético orientado en la
dirección del eje de devanado del devanado (1) de excitación.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque la unidad (7) de control genera señales
(s1,..., s6) de control para los conmutadores (S1,..., S6) del
convertidor (UR) después del establecimiento del campo magnético
orientado en la dirección del eje de devanado del devanado (1) de
excitación, de tal manera que finaliza el flujo de corriente en los
devanados (U, V, W) del estator y genera señales (s7) de control que
provocan un flujo de corriente de excitación.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque la unidad (7) de control genera las
señales (s1,..., s6) de control que provocan el flujo de corriente
en los devanados (U, V, W) del estator después de un accionamiento
del pedal acelerador del vehículo.
4. Dispositivo según la reivindicación 2 o 3,
caracterizado porque la unidad (7) de control genera las
señales (s1,..., s6) de control que finalizan el flujo de corriente
en los devanados (U, V, W) del estator y las señales (s7) de
control que provocan el flujo de corriente de excitación, después
del transcurso de un intervalo de tiempo predeterminado tras el
inicio de una operación de arranque.
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque entre el devanado (1) de
excitación y la red de a bordo está dispuesto un diodo (3) cuyo
cátodo está conectado al devanado (1) de excitación y su ánodo a la
red de a bordo.
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