ES2294049T3 - Gestion de la distribucion de fuentes de potencia hibridas. - Google Patents

Abstract

Un sistema de suministro de potencia híbrido, que incluye unas primera y segunda entradas de energía, unos primer (20) y segundo (14) convertidores de energía respectivos, un dispositivo (18) de almacenamiento de energía, un sumidero de energía y un dispositivo gestor de distribución de potencia, de tal manera que el funcionamiento del sistema de suministro de potencia tiene un coste global asociado que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, y el dispositivo gestor de distribución de potencia controla la distribución de potencia utilizando un nivel de coste global óptimo; caracterizado por que dicho nivel de coste global óptimo se obtiene comparando el coste asociado con la recarga de dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía, con un límite de coste y comparando el beneficio, que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, asociado con la puesta en funcionamiento de dicho segundo convertidor (14) de energía, con un límite de beneficio, de tal manera que dichos límite de coste y límite de beneficio están predeterminados o son deducidos u obtenidos instantáneamente.

Description

Gestión de la distribución de fuentes de potencia híbridas.

La invención se refiere a un sistema y a un método para la propulsión de un vehículo, en particular, para un vehículo eléctrico híbrido (HEV -"hybrid electrical vehicle").

Si bien se conocen las fuentes de potencia híbridas, la gestión del uso de la energía en ellas es ineficiente. Por ejemplo, los vehículos eléctricos híbridos son bien conocidos e incorporan dos unidades de suministro de potencia y al menos uno o más almacenamientos de combustible o de energía; típicamente, las unidades de suministro de potencia comprenden un motor de combustión interna y una máquina eléctrica que comprende un motor/generador. En una configuración bien conocida, denominada HEV "en serie", se utiliza un motor de combustión interna para generar electricidad destinada a ser almacenada en una batería, así como a la propulsión del vehículo a través de un motor/generador. Una configuración alternativa, el denominado HEV "en paralelo", se muestra esquemáticamente en la Figura 1, en un vehículo designado generalmente con la referencia 10. El vehículo incluye un motor de combustión interna 20, un motor/generador eléctrico 14, una transmisión 16 y un dispositivo de almacenamiento, tal como una batería 18. El motor de combustión interna impulsa el vehículo 20 a través de la transmisión 16. Además, la transmisión puede también ser accionada por el motor eléctrico 14. Alternativamente, cuando el motor de combustión está generando par en exceso, éste puede ser convertido en energía eléctrica almacenada a través de la transmisión 16 y del motor/generador 14, al funcionar en el modo generador, de tal manera que la energía eléctrica se almacena en la batería 18. Los HEVs de este tipo son bien conocidos y uno de ellos se describe en la Patente norteamericana Nº 5.984.033, de Tamagawa.

Los sistemas de control conocidos para determinar la contribución de cada fuente de energía a la propulsión del vehículo, y/o cuándo generar energía eléctrica (en ocasiones denominada carga "regenerativa" cuando la energía del vehículo o del motor de combustión interna en exceso se convierte en energía eléctrica) son en la actualidad muy simples. Las ventajas principales asociadas actualmente a los HEVs son las de un consumo de combustible y unas emisiones reducidos, y, por ejemplo, el documento US 4.042.056, de Horwinski, describe una disposición en la que la transición entre modos de propulsión se determina basándose en la depresión o descenso del acelerador por parte del usuario y/o en el estado de carga de la batería eléctrica.

Una disposición más sofisticada se describe en el documento WO 00/15455, de la Paice Corporation. De acuerdo con esta descripción, un microprocesador supervisa la entrada originada por el conductor y, en particular, el acoplamiento con el acelerador o la válvula de mariposa, y varía la contribución de las fuentes de energía de acuerdo con ello, teniendo en cuenta los requisitos instantáneos de par del vehículo, la salida o entrega de par del motor y la carga de la batería, basándose en un conjunto de cuadros fijos y puntos de ajuste agrupados, por ejemplo, formando tablas de consulta. Además, el microprocesador puede supervisar el comportamiento histórico y variar el funcionamiento subsiguiente en correspondencia. En paralelo con ello, el sistema incluye la gestión inteligente de un convertidor catalítico de los gases de escape con el fin de reducir las emisiones.

El documento DE 199 06601 A (de Toyota) describe un sistema de control para mejorar la economía de combustible de un vehículo híbrido, que selecciona un modo de marcha de acuerdo con el consumo de combustible para una operación de carga. El documento US A 5.832.369 (de Hisada Hideki et al.) describe un vehículo híbrido capaz de regenerar una batería y de reducir los gases de escape para una ruta de conducción predefinida.

Los sistemas conocidos se fundamentan en una estrategia basada en reglas que aplica una serie de reglas escogidas para mantenerse dentro de las capacidades de los componentes del vehículo, o en una estrategia basada en la maximización de las eficiencias en el sistema, al hacer funcionar el motor y el motor/generador eléctrico en sus puntos de mayor eficiencia. Las soluciones conocidas están basadas en la minimización instantánea del consumo de combustible o en la maximización de la eficiencia energética.

De acuerdo con la invención, se proporciona un sistema de suministro de potencia híbrido que incluye unas primera y segunda entradas de energía, unos primer y segundo convertidores de energía respectivos, un dispositivo de almacenamiento de energía, un sumidero de energía y un dispositivo gestor de la distribución de potencia, de tal manera que el funcionamiento del sistema de suministro de potencia tiene un coste total asociado que es función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, y el dispositivo gestor de distribución de potencia controla la distribución de potencia y un nivel coste total óptimo.

Por lo tanto, la eficiencia se determina sobre la base de un abanico de factores, y se consigue un sistema de control flexible e inteligente.

La entrada de energía puede comprender una fuente de energía tal como una o más de entre una fuente de energía química (por ejemplo, combustible), una mecánica y una eléctrica, tal como una batería recargable; el convertidor de energía puede comprender al menos uno de entre un motor tal como un motor de combustión interna y una celda o pila de combustible; y el dispositivo de almacenamiento de energía, que puede recibir y devolver de forma subsiguiente energía al sistema, puede comprender al menos uno de entre una batería, por ejemplo, una batería recargable, un condensador, un dispositivo de almacenamiento de energía y un volante de inercia.

Preferiblemente, el sistema de suministro de potencia híbrido comprende un sistema de propulsión del vehículo. El sumidero de energía puede comprender unos medios en virtud de los cuales la energía se pierde desde el sistema, tal como al menos uno de entre una carga de accionamiento del vehículo, una carga eléctrica, una carga de aire acondicionado, una carga de dirección de potencia eléctrica o una carga de regeneración de trampa de partículas de diesel, o bien otras cargas eléctricas o mecánicas.

En contraste con sistemas conocidos en los que la eficiencia se ve maximizada, por ejemplo, al conseguir la máxima potencia con un consumo mínimo de combustible, la función de coste de acuerdo con la presente invención tiene en cuenta la envolvente operativa global del vehículo, incluyendo factores inducidos por el conductor y del entorno, tales como la carga de emisiones a la atmósfera, la influencia topográfica, el entorno urbano y así sucesivamente. El coste de hacer funcionar el vehículo de manera que se maximicen los beneficios de una posición instantánea o ciertamente futura del vehículo, puede prevalecer sobre la demanda de una eficiencia instantánea. Por ejemplo, la potencia máxima del vehículo puede verse limitada, o bien el vehículo puede funcionar bajo un régimen de consumo de combustible más alto, con el fin de beneficiar las emisiones o una estrategia de regeneración de DFP para uso en la ciudad. El vehículo puede funcionar con una potencia de la batería incrementada y con una modalidad de escape modificada cuando pasa a través de entornos en los que debe reducirse el ruido del vehículo.

La función de coste puede ser una función continua o sustancialmente continua de los parámetros.

De acuerdo con la invención, se proporciona adicionalmente una método para gestionar la distribución de potencia en un sistema de suministro de potencia híbrido según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores a éste, que incluye las etapas de valorar o evaluar un coste global de un esquema de distribución de potencia, en función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, y seleccionar un esquema de distribución de potencia en un nivel de coste global óptimo.

De acuerdo con la invención, se proporciona aún, de manera adicional, un sistema de control para una fuente de potencia híbrida que tiene unas primera y segunda unidades de suministro de potencia, de tipo diferente, de tal manera que al menos una de dichas unidades es recargable por la otra unidad, y el sistema de control controla el funcionamiento y la recarga de dicha unidad de suministro de potencia recargable, dependiendo de uno o más valores de control representativos de al menos uno de entre el consumo de combustible, la emisión del escape, la vibración, el ruido en el habitáculo, el ruido exterior, la dureza o la carga.

El sistema de control controla, preferiblemente, la descarga de dicho almacenamiento de energía recargable cuando el valor de control excede de un límite de beneficio, y el sistema de control controla, de preferencia, la recarga de dichos almacenamientos de energía recargables cuando el valor de control es menor que un límite de coste; el límite de beneficio es, preferiblemente, una función del límite de coste.

El valor de control puede ser comparado con un límite de beneficio o coste predeterminado, o bien el sistema de control puede recibir datos instantáneos externos y/o internos, y el valor de control puede ser comparado con un límite de beneficio o coste que se determina basándose en dichos datos externos y/o internos. Por ejemplo, los datos externos pueden ser datos geográficos y los datos internos pueden ser un nivel de carga de la batería o la demanda de dispositivos eléctricos auxiliares. El límite de coste puede estar basado en una carga de fuente de potencia futura predicha, deducida de dichos datos externos o internos.

En una realización, dicha unidad recargable comprende un conjunto o juego de baterías, una de las unidades de suministro de potencia comprende una máquina eléctrica y dicha otra unidad de suministro de potencia comprende un motor de combustión interna.

De acuerdo con la invención, se proporciona adicionalmente un método para controlar una fuente de potencia híbrida que tiene unas primera y segunda unidades de suministro de potencia, de tipo diferente, de manera que al menos una de dichas unidades tiene un almacenamiento recargable de energía, susceptible de ser recargado por dicha otra unidad, y de tal modo que dicho método comprende las etapas de hacer funcionar dicho almacenamiento de energía recargable cuando su funcionamiento consiga un beneficio neto con respecto a al menos uno de entre el consumo de combustible, las emisiones del escape, la vibración, el ruido, la dureza y la carga, y recargar dicho almacenamiento de energía recargable cuando la recarga se consigue hasta el límite de coste, en comparación con al menos uno de entre el consumo de combustible, las emisiones del escape, la vibración, el ruido, la dureza, la aceleración o la mane-
jabilidad.

De acuerdo con la invención, se proporciona aún, de manera adicional, un método para calibrar un sistema de control para una fuente de potencia híbrida, de tal manera que el sistema de control tiene un almacenamiento de datos y la fuente de potencia híbrida incluye unas primera y segunda unidades suministro de potencia, de diferente tipo, de modo que al menos una de dichas unidades es recargable por dicha otra unidad, y en el cual la fuente de potencia es alimentada en potencia a través de una pluralidad de ciclos bajo cargas variables, al menos uno de los parámetros de control consumo de combustible, emisiones de escape, vibración, ruido o dureza, es registrado y almacenado en dicho almacenamiento de datos, y se deduce un beneficio operativo de la unidad recargable y el coste de recarga para cada carga de fuente de potencia, en función del parámetro de control grabado y almacenado en dicho almacenamiento de datos. Como resultado, pueden deducirse instantáneamente los límites de coste/beneficio en un vehículo.

La invención proporciona adicionalmente una medio legible por una computadora, que almacena un programa para implementar el sistema y/o los métodos según se ha descrito anteriormente, un procesador configurado para llevar a cabo instrucciones para la implementación o puesta en práctica de los sistemas y los métodos según se ha descrito anteriormente, una fuente de potencia híbrida que comprende unas primera y segunda unidades de suministro de potencia, de tipos diferentes, de tal modo que al menos una de dichas unidades es recargable por dicha otra unidad, así como un sistema de control según se ha descrito anteriormente, y un vehículo que incluye dicha fuente de potencia híbrida.

A continuación se describirán realizaciones de la invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los cuales:

La Figura 2 muestra un diagrama de superficie o tridimensional del coste frente a la potencia y frente al tiempo, de acuerdo con la presente invención;

La Figura 3a muestra un ciclo de conducción típico;

La Figura 3b muestra un diagrama tridimensional del coste frente a la potencia y frente al tiempo para el ciclo de conducción de la Figura 3a;

La Figura 3c ilustra un ciclo de conducción alternativo;

La Figura 3d muestra un diagrama tridimensional del coste frente a la potencia y frente al tiempo para el ciclo de conducción de la Figura 3c;

La Figura 4 es un diagrama de flujo que muestra una rutina de calibración; y

La Figura 5 ilustra un vehículo de acuerdo con la presente invención, en comunicación con una fuente de información externa.

La invención se describirá con referencia a una implementación preferida en relación con los HEVs (vehículos eléctricos híbridos -"hybrid electrical vehicles"). La persona experta estará familiarizada con los sistemas de fuente de energía/almacenamiento y transmisión de los HEVs, así como con la intermediación o interfaz general de éstos con un sistema de control, de manera que no se incluye aquí una descripción detallada de estos aspectos.

El sistema de control controla una fuente de potencia híbrida que tiene al menos dos convertidores de energía que comprenden una máquina eléctrica (motor/generador) y un motor de IC (de combustión interna -"internal combustion") en la presente realización, y al menos un almacenamiento de energía que comprende una batería eléctrica recargable. Estos pueden ser interpretados como dos unidades de suministro de potencia. Una de las entradas del sistema de control para un HEV comprende efectivamente la demanda, por parte del conductor, respecto a un aspecto del comportamiento del vehículo, tal como, en particular, la aceleración o el frenado. Sin embargo, pueden recibirse también demandas desde otras unidades que pueden ser consideradas como sumideros de energía adicionales, por ejemplo, una unidad de acondicionamiento de aire, un filtro de partículas de diesel o unidades auxiliares adicionales. Típicamente, un parámetro de control adicional es que el vehículo siga siendo capaz de recargarse con energía eléctrica para la máquina eléctrica sin tener que recurrir a un cargador externo, y que el estado de carga del almacenamiento de energía ha de permanecer dentro de ciertos límites. Aún otro parámetro adicional podría ser un factor instantáneo, tal como una detención por el conductor, no predicha. La presente invención constata, sin embargo, que dentro de estas limitaciones es posible implementar un sistema de control inteligente que determine el instante óptimo y la cantidad de generación de electricidad, así como el instante óptimo y la cantidad de energía suministrada al accionamiento o propulsión, y distribuida a otros componentes por el motor eléctrico.

En particular, el sistema de control de la presente invención tiene en consideración un abanico de condiciones operativas, incluyendo, por ejemplo, el consumo de combustible y/o la eficiencia de las diversas unidades de suministro de potencia del HEV, el caudal de las emisiones de escape producidas, el ruido, la vibración, y métricas de dureza (NVH), la manejabilidad o el ritmo de aceleración, con el fin de proporcionar un parámetro global denominado "función de objetivo". La función de objetivo, que puede considerarse también como un coste global del sistema o "coste específico", puede minimizarse entonces en el tiempo con el fin de optimizar el coste de generar electricidad y/o el beneficio obtenido de la motorización o propulsión motriz por medio del control de la secuencia temporal, de la duración y de la proporción entre generación/propulsión motriz. La función de objetivo puede seleccionarse, bien para requisitos legislativos o bien para requisitos del consumidor, como puede apreciarse de los parámetros tenidos en consideración.

Los fines clave son que se ha de generar la electricidad en el instante más barato con referencia a la función de objetivo, y que la electricidad se ha de utilizar para la propulsión motriz únicamente cuando el beneficio es mayor que el coste en que se incurre al generar electricidad para reemplazar la electricidad utilizada. De acuerdo con ello, el coste global del sistema para cualquier modo de funcionamiento se valora en caso de que, y cuando, ese modo se haya de implementar o evaluar basándose en el coste global del sistema.

\newpage

La primera finalidad se implementa al generar siempre hasta un coste específico dado. Esto se ilustra en la Figura 2, en la que el coste específico (eje z) se representa gráficamente frente a la potencia de generación y al tiempo, para dar una superficie tridimensional. Se determina una opción de coste más bajo dependiendo de la cantidad de energía que se requiere generar. La cantidad total de energía se obtiene integrando la potencia con la curva de tiempos para un coste dado (es decir, z = constante). Esto puede conseguirse incrementado el valor del eje de costes (z) de 0 hasta que el total integrado en el plano z-y, potencia-tiempo, es igual a la cantidad de energía requerida. El valor de coste más bajo es entonces el valor z correspondiente. La curva obtenida por la intersección del plano z con la superficie tridimensional representa la variación óptima de la potencia generada frente al tiempo. La Figura 2 puede ser interpretada intuitivamente de tal modo que represente un volumen con el plano horizontal x-y y el plano vertical z, y un nivel de agua que se eleva desde z = 0, en la parte superior de la superficie tridimensional. Cuando el área superficial del agua es equivalente al valor de energía deseado, se determina entonces el coste correspondiente, y se forma la curva de generación de potencia óptima frente al tiempo, en los límites del agua y la superficie tridimensional. En el ejemplo que se muestra en la Figura 2, se consigue una primera área superficial, más pequeña, que representa 1 kJ de energía, para un coste z = c_{1}, y se consigue un valor más alto de energía generada, de 2 kJ, para un coste z = c_{2}.

Haciendo referencia a las Figuras 3a a 3d, puede comprenderse el funcionamiento de la invención en el modo de generación. La Figura 3a representa parte de un ciclo de conducción a modo de ejemplo, según se determina para el ciclo de ensayos de emisión para el Consejo Económico para Europa, para un vehículo que se encuentra en reposo durante aproximadamente 12 segundos, acelera a un ritmo constante para alcanzar, aproximadamente a los 16 segundos, una velocidad constante de 15 km por hora, y decelera a continuación, aproximadamente a los 24 segundos, a un ritmo constante, hasta quedar estacionario a los aproximadamente 29 segundos, en un ciclo de 30 segundos.

El sistema de control calcula y consulta efectivamente una serie de curvas en dos dimensiones de coste específico frente a potencia de generación, a medida que avanza el ciclo de conducción, a fin de evaluar el esquema óptimo para la generación eléctrica en términos del "coste específico" del funcionamiento. Preferiblemente, los datos relevantes para generar estas curvas se deducen de resultados de calibración obtenidos al hacer marchar el tipo de motor en un banco de ensayo y efectuar el seguimiento de, por ejemplo, las emisiones y el consumo de combustible para el intervalo de calibración de cargas y velocidades del motor. Puede presentarse un histórico de estas curvas bidimensionales como una superficie tridimensional, tal y como se muestra en la Figura 3b, que representa una superficie tridimensional obtenida a partir de una representación gráfica en 3 ejes, de tal manera que el eje x representa el intervalo de tiempo de 30 segundos, el eje y representa la velocidad de generación eléctrica, medida en vatios, y el eje z es el "coste específico" representativo de la función de objetivo, todo para el ciclo de conducción ilustrado.

Como puede observarse en la Figura 3b, puede obtenerse un nivel bajo de generación de energía, del orden de unas pocas decenas de vatios, a bajo coste, en el periodo en que el vehículo es estacionario y cuando el vehículo se ha estabilizado en su velocidad de crucero. Además, puede conseguirse una generación a bajo coste mientras el vehículo está frenando, puesto que algo de la energía cinética del vehículo puede utilizarse para generar electricidad directamente: el denominado "frenado regenerativo". Por otra parte, para un punto fijo del ciclo de conducción, por ejemplo, cuando el vehículo está parado, el coste de generar energía eléctrica se incrementa a medida que se incrementa la velocidad de generación. Como regla, los costes son particularmente elevados cuando el vehículo está acelerando, ya que la generación eléctrica es simplemente un lastre o carga de potencia adicional, pero, por otra parte, la generación de energía eléctrica, incluso a velocidades o ritmos de generación elevados, puede conseguirse a bajo coste durante el frenado regenerativo. Como resultado de ello, cuando el vehículo está sometido a una carga y velocidad del motor específicas, el coste de la generación puede deducirse de los valores calibrados y, según se expone con mayor detalle más adelante, compararse con un límite de coste para evaluar si ha de tener lugar la generación. Como se expone con mayor detalle más adelante, esta solución resulta particularmente útil a la hora de optimizar la gestión de la energía cuando es posible predecir un ciclo de conducción venidero, por ejemplo, a partir de datos externos en tiempo real o instantáneos. La Figura 3d muestra la curva tridimensional correspondiente, construida para el ciclo de conducción que se muestra en la Figura 3c.

Como ejemplo del modo de calibrar, es decir, ajustar los parámetros dentro de una estrategia de control para un estilo de conducción típico, se emplea el diagrama de flujo de la Figura 4. En la etapa 30, se establece el valor de coste en un nivel inferior z = c_{0}, y se suministra como entrada un valor deseado de energía generada E_{1}. En la etapa 32, la curva de potencia generada, P_{gen}, se integra a lo largo del tiempo. Si el valor integrado es mayor o igual que el valor de entrada de energía E_{1}, entonces el valor de coste es el valor de z utilizado en la etapa 34. Si, sin embargo, el valor almacenado deseado no se alcanza, entonces el valor z es incrementado en un pequeño valor \Deltac y el procedimiento se repite hasta que se obtenga el valor deseado para la energía generada.

En la realización anteriormente expuesta, el valor de "coste específico" se representa como una cifra absoluta. En la realización preferida, el coste representa una función de objetivo que combina una medida de un intervalo de parámetros en un único valor, con una combinación de, por ejemplo, el consumo de combustible (cuanto más alto sea el consumo de combustible, mayor será el coste) y las emisiones de escape (de nuevo, cuanto más altas sean las emisiones, mayor será el coste). Por supuesto, estas variables son, preferiblemente, normalizadas y pueden ser combinadas de cualquier manera apropiada, ya sea aritméticamente o por medio de una función más compleja con el fin de llegar a un valor representativo del coste. Como resultado, el vehículo, para un estado dado (por ejemplo, acelerando a un ritmo dado y a una velocidad instantánea dada), estará funcionando a un nivel de coste dado, en términos del consumo de combustible y de las emisiones que surgen de la generación de la potencia requerida.

Los restantes criterios de control son cuándo ayudar, o remplazar, el motor de combustión interna mediante el motor eléctrico, y a qué potencia. Como ejemplo básico, si el motor eléctrico se utiliza para ayudar al motor de combustión interna durante una aceleración, entonces esto reducirá el consumo de combustible y algunas de las sustancias de emisión. De acuerdo con ello, la estrategia para la ayuda del motor eléctrico es que éste ha de utilizarse cuando el beneficio (reducción del consumo de combustible y de las emisiones) que se vaya a ganar por la ayuda del motor supere el coste (el incremento del consumo de combustible y de las emisiones) de la generación de la electricidad. Esto se implementa al disponer de un segundo límite, el límite de beneficio, que puede ser una función del límite de coste. El motor eléctrico es utilizado para ayudar, o reemplazar, al motor de combustión interna cuando el beneficio supera el límite de beneficio.

Por lo tanto, durante el uso, el sistema de control estimará de forma instantánea el coste y el beneficio de la generación y de la propulsión motriz, respectivamente. Éstos se compararán con los límites de coste y de beneficio para determinar la generación o la propulsión motriz.

Estos límites pueden, bien ser establecidos para un estilo típico de conducción o bien dejarse como límite adaptativo que puede alterarse si, por ejemplo, el estado de carga de la batería comienza a caer de tal manera que se hace más urgente la necesidad de generación.

En una realización alternativa, el sistema ajusta los niveles de coste y de beneficio instantáneamente, dependiendo de las influencias externas o para adaptarse a los cambios en el estilo de conducción o en el historial de uso del vehículo. Ejemplos de influencias externas son: el uso infrecuente de un dispositivo auxiliar de alta potencia, tal como una unidad de aire acondicionado o, en un motor diesel, un sistema de generación de trampa de partículas, o bien entradas geográficas, tal y como se expone más adelante.

Las entradas geográficas pueden implementarse como se muestra en la Figura 5. El vehículo incluye un sistema de control 22 que controla el sistema de potencia y transmisión e incluye un dispositivo gestor de la distribución de potencia, para la distribución de la potencia en el vehículo. Además, el controlador 22 recibe o deduce datos adicionales concernientes al entorno exterior mediante comunicación con un transmisor externo 70. El transmisor externo 70 puede ser un satélite de GPS, un transmisor con protocolo de acceso por radio o inalámbrico, cualquier otra forma adecuada de transmisor. La información obtenida por el sistema de control 22 puede ser, por tanto, la posición geográfica instantánea del vehículo o una predicción de condiciones de conducción inminentes, la supervisión de las emisiones al medioambiente, la posición en la calle y el tiempo. Por ejemplo, el sistema de control puede obtener su posición geográfica instantánea del GPS y establecer, sobre esa base, que se encuentra en una zona urbana o construida, como resultado de lo cual las emisiones deben reducirse. Basándose en ello, han de variarse los niveles de coste y de beneficio para el funcionamiento del motor eléctrico, de tal manera que se use más el motor eléctrico y la energía almacenada (por ejemplo, el estado de carga de la batería) se rebaje durante un cierto periodo. Alternativamente, el sistema de control puede obtener las condiciones de conducción para, por ejemplo, los siguientes 16 kilómetros y, sobre esa base, llevar a cabo un análisis predictivo de la carga sobre el vehículo en ese tiempo. Como resultado de ello, puede, por ejemplo, modificar los niveles de coste y/o de beneficio para sacar provecho de las condiciones futuras. El límite de coste puede ser aumentado, sin embargo, si la carga de la batería es lo suficientemente baja, de tal modo que la generación tiene lugar más pronto, incluso aunque esté disponible en el futuro un periodo de funcionamiento a coste más bajo. Alternativamente, el conocimiento de la ruta futura puede permitir al vehículo funcionar a máxima potencia y capacidad de carga de la batería, pero con unas emisiones incrementadas, a lo largo de, por ejemplo, un tramo de carretera rural, para permitir un funcionamiento de la batería al cien por cien con emisiones limitadas, en un entorno urbano.

De acuerdo con ello, se apreciará que el sistema representado esquemáticamente en la Figura 5 puede combinarse con los datos almacenados y el sistema de valoración de beneficio/coste descritos con referencia a las Figuras 2 a 4, para llegar a una disposición que proporcione una propulsión motriz/generación óptimas en un HEV.

El sistema puede tener en cuenta, de forma adicional, el estilo de conducción del conductor. Esto puede conseguirse ya sea presentando al conductor opciones predeterminadas apropiadas, por ejemplo, "normal", "deportiva", "económica", ya sea de forma progresiva. En cada caso, la deducción del coste/beneficio del sistema se lleva a cabo de acuerdo con una función predeterminada apropiada. Alternativamente, el estilo del conductor puede ser aprendido como una extensión o ampliación del sistema inteligente proporcionado por la invención. Por ejemplo, los límites de costes y de beneficio para un conductor que conduce muy lentamente diferirán de los de uno que conduce de forma agresiva, por ejemplo, alcanzando una elevada cuenta de revoluciones en cada marcha. El sistema puede detectar patrones de comportamiento como éste e introducirlos como factores a la hora de evaluar las proyecciones de costes/beneficio. El sistema puede almacenar diferentes estilos de conducción para diferentes usuarios que se pueden identificar a sí mismos de una manera conocida y apropiada, por ejemplo, al tener llaves de contacto programadas indepen-
dientemente.

Un ejemplo del modo como puede tenerse en cuenta el funcionamiento de un dispositivo auxiliar de alta potencia conocido que se utiliza ocasionalmente, se expone a continuación con referencia al acondicionamiento de aire accionado eléctricamente. Considérese un vehículo que inicia un viaje con tiempo cálido. El conductor conecta el aire acondicionado, lo que incrementa la carga eléctrica en el vehículo. El controlador incrementa el límite de coste para generar electricidad en una cantidad que, con un patrón de conducción típico, generará la suficiente energía eléctrica como para permitir el funcionamiento del aire acondicionado. El incremento en el límite de coste puede ser calibrado en función de la demanda adicional de potencia.

El DPF (filtro de partículas de diesel -"diesel particulate filter") es un dispositivo que requiere su limpieza periódica, y esto puede conseguirse utilizando un calentador eléctrico de alta potencia. El coste de la limpieza con el calentador eléctrico se compara con el coste originado por la carga incrementada en el motor debido a la presión de retroceso causada por un DPF sometido a carga. La función de objetivo puede ser utilizada para seleccionar un tiempo óptimo para limpiar el DPF. Una vez que se ha decidido limpiar el DPF, la potencia de generación adicional puede ser añadida al cálculo de la potencia por medio de los límites de coste y de beneficio. Esto constituye una solución específica para cargas eléctricas de corta duración y de elevada potencia.

Como ejemplo adicional, en los modelos actuales de tren transmisor de potencia y de tratamiento posterior, el control catalítico aumenta las emisiones de CO_{2} en entre un diez y un quince por ciento, y los estándares de emisión se diseñan para salvaguardar la calidad del aire de las ciudades. Sin embargo, los niveles de emisiones inaceptables pueden variar para la conducción en la ciudad y en el campo típicamente en entre un 5% y un 15%, y el nivel de emisiones aceptable específico de la ubicación puede considerarse como un coste medioambiental que conforma un parámetro adicional de la función de objetivo. Haciendo referencia al sistema descrito en relación con la Figura 5, el sistema 22 de control del vehículo puede recibir un nivel de prioridad de emisiones que ajusta un coste medioambiental asociado, desde una estación distante 70, y una ponderación de las sustancias de emisión transmitidas al vehículo. Esto puede depender, por ejemplo, de si el vehículo está involucrado en conducción por el campo, conducción urbana o conducción por carretera, y la posición del vehículo, bien puede determinarse utilizando GPS (satélite de localización global -"global positioning satellite") o bien puede ser sencillamente dependiente de la señal emitida desde la estación distante que será apropiada para la ubicación. Como resultado de ello, el sistema de control 22 puede controlar las emisiones del tubo de escape en correspondencia. Como resultado, por ejemplo, la impulsión por el motor eléctrico puede implantarse más frecuentemente en la conducción urbana que en la rural.

Un aspecto adicional que puede introducirse como factor en la función de objetivo es un ruido, vibración o dureza (NVH) subjetiva que varía, por ejemplo, como función de la carga del motor y de la velocidad del motor, como resultado de lo cual éste será un parámetro adicional que se tome en consideración cuando el sistema de control valore qué modo de conducción se ha de adoptar.

Aún un factor adicional que puede ser controlado por el sistema de control es el arranque/detención o parada del motor híbrido. En particular, si la duración de la detención puede ser predicha, es posible valorar el coste del arranque. Si éste es menor que el beneficio de la parada (de nuevo comparando los costes globales de cada opción), el motor puede ser detenido. La duración predicha puede ser dependiente de, por ejemplo, una indicación de la posición del vehículo en una cola de tráfico, disponible desde una estación distante. Si el vehículo está cerca de la parte delantera de la cola, entonces el ahorro de coste, por ejemplo, en combustible y en emisiones, conseguido por la parada del motor, puede ser contrarrestado por el consumo de combustible y el nivel de emisiones incrementados, si el motor vuelve a arrancarse poco tiempo después de haberse detenido. Una consideración adicional puede ser los requisitos del DPF. Por ejemplo, en tráfico intenso, el GPS puede estar al tanto de la información sobre el tráfico, y el sistema a bordo del vehículo al corriente de que el DPF está a punto de requerir regeneración. Aquí, cuando la temperatura del escape es baja debido a que el motor está sometido a una carga de velocidad baja o gira libre en, por ejemplo, un tráfico intenso que se mueve despacio, la temperatura en el habitáculo puede también ser baja. El sistema puede, por tanto, tomar la decisión de aplicar un régimen de detención y arranque según el tráfico, ya que el coste de apagar y volver a arrancar para cargar la batería para poner en marcha el calentador de DPF es demasiado grande.

Se observará, por lo tanto, que la invención proporciona un sistema y un método en los cuales los componentes básicos de un vehículo son gestionados con el objetivo de minimizar el coste global de emprender un viaje. El coste global es una función de objetivo que puede incluir costes para el conductor (NVH, consumo de combustible) y costes para el medioambiente (emisiones, NVH). La invención puede concernir a vehículos híbridos que contienen al menos dos unidades de suministro de potencia y al menos un almacenamiento de energía recargable, pero puede extenderse asimismo a otros sistemas de suministro de potencia. La invención puede realizarse en un controlador que gestiona instantáneamente los flujos de energía en las unidades de suministro de potencia, entre el almacenamiento o almacenamientos de energía y los convertidores de energía, de acuerdo con una comparación del coste de función objetivo con los límites de coste y de beneficio. Los límites de coste y de beneficio pueden variar tendiendo en cuenta el estilo del conductor, las demandas instantáneas de dispositivos auxiliares de elevada potencia, o el nivel de carga de la batería o de otros almacenamientos de energía.

Se apreciará que el vehículo híbrido puede ser cualquier tipo de vehículo, incluyendo un automóvil, un autobús, un camión y así sucesivamente. El sistema de control puede ser implementado de cualquier manera apropiada, por ejemplo, en programación o software, o en dispositivos físicos o hardware, por ejemplo, con la forma de un tablero o cuadro de enchufe, fijado a la electrónica del vehículo y al control del HEV ya existente. Las unidades de propulsión se han expuesto aquí, respectivamente, como un motor de combustión interna y un motor eléctrico, pero se apreciará que puede introducirse cualquier unidad de propulsión apropiada y que es posible introducir, igualmente, más de una de cada unidad de propulsión. Similarmente, la unidad de almacenamiento de energía no necesita ser una batería, sino que puede ser, por ejemplo, una unidad de almacenamiento mecánico de energía, tal como un volante de inercia. Se apreciará, de forma adicional, que las realizaciones o aspectos de éstas anteriormente descritos pueden combinarse e intercambiarse según sea apropiado.

Claims (19)

1. Un sistema de suministro de potencia híbrido, que incluye unas primera y segunda entradas de energía, unos primer (20) y segundo (14) convertidores de energía respectivos, un dispositivo (18) de almacenamiento de energía, un sumidero de energía y un dispositivo gestor de distribución de potencia, de tal manera que el funcionamiento del sistema de suministro de potencia tiene un coste global asociado que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, y el dispositivo gestor de distribución de potencia controla la distribución de potencia utilizando un nivel de coste global óptimo; caracterizado porque dicho nivel de coste global óptimo se obtiene comparando el coste asociado con la recarga de dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía, con un límite de coste y comparando el beneficio, que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, asociado con la puesta en funcionamiento de dicho segundo convertidor (14) de energía, con un límite de beneficio, de tal manera que dichos límite de coste y límite de beneficio están predeterminados o son deducidos u obtenidos instantáneamente.

2. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los parámetros incluyen uno o más del consumo de entrada de energía, la emisión del sumidero de energía, el nivel de almacenamiento en el dispositivo de almacenamiento de energía, la vibración, el ruido, la dureza, el coste de la distribución de potencia y la carga en el sistema de potencia, o en el que la entrada de energía comprende una o más de una fuente de energía química, mecánica o eléctrica, tal como una batería recargable, hidráulica, neumática o nuclear, o en el cual el convertidor (20) de energía comprende al menos uno de entre un motor o una celda o pila de combustible, o bien en el que el dispositivo (18) de almacenamiento de energía comprende al menos uno de entre una batería, por ejemplo, una batería recargable, un condensador, un dispositivo de almacenamiento de calor o un volante de inercia.

3. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un sistema de propulsión del vehículo y en el que, preferiblemente, el sumidero de energía comprende al menos una de entre una carga (10) de accionamiento del vehículo, una carga eléctrica, una carga de aire acondicionado, una carga de dirección de potencia eléctrica y una trampa de regeneración de trampa de partículas de diesel.

4. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el dispositivo (18) es recargable por uno de dichos convertidores (14, 20) de energía y, preferiblemente, en el que los parámetros operativos incluyen el coste de recargar el dispositivo (18) de almacenamiento de energía.

5. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual los parámetros operativos incluyen adicionalmente al menos uno de entre factores del entorno, o en el que el coste global es, adicionalmente, una función de parámetros operativos futuros, predichos u obtenidos, o en el cual el coste global es una función de una pluralidad de parámetros operativos.

6. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el límite de beneficio es una función del límite de coste.

7. Un sistema de control (22) para un sistema de suministro de potencia híbrido de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía es recargable por al menos uno de dichos primer y segundo convertidores (20, 14) de energía, el sistema de control (22) controla el funcionamiento y la recarga de dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía de acuerdo con el límite de coste y el límite de beneficio, dependiendo de uno o más valores de control representativos de al menos uno de entre el consumo de combustible, las emisiones en el escape, la vibración, el rudo, la dureza, la durabilidad mecánica de la carga, la durabilidad del sistema o la durabilidad de la batería.

8. Un sistema de control (22) de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual el valor de control se deduce u obtiene basándose en un estado instantáneo de la fuente de potencia, o en el que el sistema de control (22) controla el funcionamiento del segundo convertidor (14) de energía cuando el valor de control excede de dicho límite de beneficio, o en el cual el sistema de control (22) controla la recarga de dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía cuando el valor de control es menor que dicho límite de coste, o bien en el que el límite de beneficio es una función del límite de coste.

9. Un sistema de control (22) de acuerdo con la reivindicación 7 ó la reivindicación 8, en el cual el valor de control se compara con un límite de beneficio o de coste predeterminado o adaptativo.

10. Un sistema de control (22) de acuerdo con la reivindicación 7 ó la reivindicación 8, en el cual el sistema de control (22) recibe datos instantáneos externos y/o internos y el valor de control se compara con un límite de beneficio o de coste basado en dichos datos externos y/o internos, y, preferiblemente, en el que el límite de coste está basado en una carga de fuente de potencia futura predicha, deducida de dichos datos externos y/o internos.

11. Un sistema de control (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el cual dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía comprende al menos uno de entre una batería, un condensador, un dispositivo de almacenamiento de calor y un volante de inercia.

12. Un método para gestionar la distribución de potencia en un sistema de suministro de potencia híbrido que incluye unas primera y segunda entradas de energía, unos primer (20) y segundo (14) convertidores de energía respectivos, un dispositivo (18) de almacenamiento de energía, un sumidero de energía y un dispositivo gestor de distribución de potencia, de tal manera que el funcionamiento del sistema de suministro de potencia tiene un coste global asociado que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, de modo que el método incluye las etapas de valorar o evaluar un coste y beneficio globales asociados con un esquema de distribución de potencia, en función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, y seleccionar un esquema de distribución de potencia utilizando un nivel de coste global óptimo, por comparación de dichos coste y beneficio globales con un límite de coste y un límite de beneficio, respectivamente;

caracterizado porque dicho nivel de coste global óptimo se obtiene por comparación del coste asociado con la recarga de dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía con un límite de coste, y comparando el beneficio, que es una función de parámetros operativos del sistema de suministro de potencia, asociado con la puesta en funcionamiento de dicho segundo convertidor (14) de energía, con un límite de beneficio, de tal manera que dichos límite de coste y límite de beneficio están predeterminados, o son deducidos u obtenidos instantáneamente.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, de tal modo que dicho método comprende las etapas de hacer funcionar dicho segundo convertidor (14) de energía cuando su funcionamiento alcanzará un beneficio que es igual o mayor que un límite de beneficio, comparado con al menos uno del consumo de combustible, las emisiones en el escape, la vibración, el ruido, la dureza o la carga por parte de dicha fuente de potencia híbrida, y recargar dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía cuando la recarga se consigue hasta el límite de coste, en comparación con al menos uno de entre el consumo de combustible, las emisiones en el escape, la vibración, el ruido, la dureza o la carga.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende la etapa de obtener o deducir un nivel de beneficio asociado a la puesta en funcionamiento del segundo convertidor (14) de energía, y comparar el nivel de beneficio con un límite de beneficio para valorar si se conseguirá un beneficio neto, o que comprende las etapas de deducir un nivel de coste para recargar dicho dispositivo (18) de almacenamiento de energía, y comparar dicho nivel de coste con un límite de coste con el fin de valorar si el coste de la recarga es aceptable, o en el cual el límite de beneficio y/o el límite de coste son predeterminados, o en el que el límite de coste y/o el límite de beneficio se obtienen o deducen de forma instantánea.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el límite de beneficio es una función del límite de coste.

16. Un medio legible por una computadora, que almacena un programa para implementar una gestión de distribución de potencia en un sistema de suministro de potencia híbrido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, un sistema de control (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, ó un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15.

17. Un procesador configurado para llevar a cabo instrucciones para implementar una gestión de distribución de potencia para un sistema de suministro de potencia híbrido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, un sistema de control (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, ó un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15.

18. Una fuente de potencia híbrida que comprende unas primera (20) y segunda (14) unidades de suministro de potencia, de manera que al menos una (14) de dichas unidades es recargable por dicha otra unidad (20), y un sistema de control (22) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11.

19. Un vehículo (10) que incluye una fuente de potencia híbrida de acuerdo con la reivindicación 18.