ES2323730T3 - Sistema de propulsion y procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsion para un vehiculo que funciona electricamente. - Google Patents

Sistema de propulsion y procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsion para un vehiculo que funciona electricamente. Download PDF

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Abstract

Sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, que comprende: - una unidad de propulsión (4) que se puede hacer funcionar de forma motora y generadora, - una primera conexión de fuente de corriente (1) con un dispositivo de control (14) con el propósito de un suministro de potencia regulable, - una segunda conexión de fuente de corriente (2), que se puede cargar y descargar, con por lo menos un condensador (21), la cual está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión (4), - un circuito intermedio (5) eléctrico el cual está conectado con la primera y la segunda conexiones de fuente de corriente (1, 2) y con la unidad de propulsión (4), - una tercera conexión de fuente de corriente (3), que se puede cargar y descargar, con por lo menos una batería (34), la cual está conectada con el circuito intermedio (5), - un primer dispositivo de registro (11) para una tensión eléctrica (UZK) del circuito intermedio, que está conectado con el dispositivo de control (14), - un segundo dispositivo de registro (12) para un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v), que está conectado con el dispositivo de control (14), - estando formado el dispositivo de control (14) de tal manera que ajusta un valor teórico (U ZKteórico) modificable para una tensión del circuito intermedio dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v) y ajusta el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente (1) dependiendo del valor teórico (UZKteórico) y de la tensión (UZK) del circuito intermedio, - en el cual la tercera conexión de fuente de corriente (3) está conectada de tal manera con el circuito intermedio (5) que la tercera conexión de fuente de corriente (3) alimenta potencia en el circuito intermedio (5), cuando se alcanza o se está por debajo de un valor umbral (UBmáx.) de la tensión (UZK) del circuito intermedio.

Description

Sistema de propulsión y procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsión para un vehículo que funciona eléctricamente.
La presente invención se refiere a un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, el cual presenta una unidad de propulsión eléctrica, que se puede hacer funcionar de forma motora o generadora, una primera conexión de fuente de corriente con un dispositivo de control con el objetivo de un suministro de potencia regulable, una segunda conexión de fuente de corriente que se pueda cargar y descargar, la cual está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión, así como en circuito eléctrico intermedio, el cual está conectado con la primera y la segunda conexiones de fuente de corriente y con la unidad de propulsión. El vehículo automóvil comprende asimismo una tercera conexión de fuente de corriente, que se puede cargar y descargar, la cual está conectada con el circuito intermedio. La invención se refiere asimismo a un procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsión de este tipo.
Los vehículos automóviles que se hacen funcionar eléctricamente, en especial los llamados vehículos híbridos eléctricos, presentan un sistema de propulsión el cual comprende diferentes conexiones de suministro eléctricas, con el fin de hacer funcionar una unidad de propulsión eléctrica. La energía eléctrica necesaria para la propulsión es suministrada, por ejemplo, por una pila de combustible o una batería de acumuladores, los cuales son conectados en la fase de propulsión de un vehículo híbrido. Cada vez tiene mayor importancia, en particular, la utilización de una pila de combustible, la cual genera energía eléctrica a partir de portadores de energía químicos, en la fase de propulsión de un vehículo automóvil propulsado eléctricamente. La pila de combustible es adecuada en particular para transformar la energía contenida en la sustancia química, sin rodeos, en energía eléctrica para, por ejemplo, propulsar con la energía eléctrica obtenida una unidad de propulsión de un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente. La energía eléctrica de la pila de combustible es suministrada, en general, a una conexión de suministro de la fase de propulsión, en especial en forma de un circuito eléctrico intermedio, el cual se puede conectar con la pila de combustible. Una unidad de propulsión del vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, que comprende uno o varios motores eléctricos, es alimentada por la conexión de suministro con el fin de accionar las ruedas motrices del vehículo automóvil. En la mayoría de las utilizaciones la unidad de propulsión puede llevar a cabo también un frenado eléctrico con recuperación de energía, de manera que la conexión de suministro almacena de retorno energía eléctrica. Esta energía puede ser consumida por otros dispositivos, los cuales están conectados a la conexión de suministro. Se puede almacenar, por ejemplo, en una batería de acumuladores o en un acumulador de rueda volante. Además, puede estar previsto un dispositivo de seguridad en forma de un regulador de freno, el cual está destinado a absorber un eventual excedente de energía, en especial a transformarlo en calor. Por consiguiente la conexión de suministro intercambia en cada instante diferentes flujos de potencia con los dispositivos o componentes, que están conectados con ella. Estos flujos de potencia varían notablemente entre sí a lo largo del tiempo de funcionamiento debido al predominio de estados de funcionamiento que duran únicamente poco tiempo en los sistemas de propulsión de vehículos automóviles.
Por ejemplo, en los vehículos automóviles híbridos eléctricos se utilizan varias fuentes de corriente, como por ejemplo baterías de acumuladores o condensadores de doble capa (llamados Ultracaps) dado que estos pueden almacenar de forma intermedia energía eléctrica de manera adicional. Por consiguiente, se puede recuperar por ejemplo energía de frenado o se puede extraer carga de punta de acumuladores intermedios. Las fases de propulsión de este tipo son adecuadas en especial para el tráfico "Stop-and-go" del interior de la ciudad, dado que aquí se intercambian frecuentes procesos de arranque con una carga de punta alta y frecuentes procesos de frenado con la correspondiente recuperación de energía.
En vehículos automóviles tales como por ejemplo autobuses urbanos, taxis, vehículos de reparto, los cuales se hacen funcionar principalmente en el tráfico del interior de la ciudad, la necesidad de potencia instantánea para el sistema de propulsión está caracterizada por frecuentes procesos de frenado y aceleración. Dado que al mismo tiempo la velocidad máxima que hay que alcanzar está limitada ya por la situación legal, la potencia de los vehículos automóviles de este tipo está caracterizada, sobre todo, por la correspondiente potencia de aceleración. Si al mismo tiempo se puede recoger la energía de frenado con pérdidas pequeñas y almacenarla entonces se puede reducir notablemente el consumo de energía.
En el documento US 2004/0172206 A1 se describe un sistema de control para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente el cual presenta una pila de combustible como generador de corriente. La unidad de propulsión, formada por la conexión de salida de circuito intermedio y el motor de propulsión, se puede hacer funcionar de forma motora y generadora. La unidad de propulsión, alimentada por un circuito intermedio eléctrico, presenta un condensador acumulador. La corriente generada por la pila de combustible para alimentación en el circuito intermedio se puede ajustar mediante una conexión de control. Al mismo tiempo, una unidad de cálculo calcula la potencia eléctrica regenerativa generada por la unidad de propulsión, la cual está disponible en el estado de funcionamiento instantáneo, por ejemplo sobre la base de la velocidad del vehículo automóvil o similar. La unidad de cálculo calcula además la potencia que se puede almacenar en el condensador, por ejemplo sobre la base de una valor de la tensión detectable del condensador. Cuando la potencia que se puede almacenar en el condensador es menor que la potencia eléctrica regenerativa, se reduce a cero la corriente de salida de la pila de combustible mientras que, por el contrario, en el caso en el cual la potencia que se puede almacenar en el condensador es mayor que la potencia eléctrica regenerativa, se cancela de nuevo la limitación de la corriente de la pila de combustible. La fuente de corriente en forma de la pila de combustible es, por consiguiente, conectada o desconectada en función de la potencia eléctrica regenerativa y dependiendo del estado del condensador. De este modo, se puede mejorar la eficiencia energética de un vehículo automóvil propulsado mediante pila de combustible durante la recuperación de energía. Otros estados de funcionamiento del sistema de propulsión no se tiene sin embargo en cuenta aquí.
Por la patente US nº 6.484.830 B1 se conoce un sistema de propulsión eléctrico con una primera y una segunda conexión de fuente de corriente, en el cual la tensión de circuito intermedio es regulada en función de la velocidad.
La presente invención se plantea el problema de proponer un sistema de propulsión y un procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente los cuales posibilitan la mejora de la gestión de la energía en el sistema de propulsión para varios estados de funcionamiento del vehículo automóvil.
Este problema se resuelve mediante un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente según la reivindicación 1 y mediante un procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente según la reivindicación 12.
El sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente del tipo mencionado al principio comprende, según la invención, además de los componentes ya mencionados allí, un primer dispositivo de registro para una tensión eléctrica del circuito intermedio, que está conectado con el dispositivo de control de la primera conexión de fuente de corriente, así como un segundo dispositivo de registro para un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil, que está conectado asimismo con el dispositivo de control de la primera conexión de fuente de corriente. El dispositivo de control está formado de tal manera que ajusta un valor teórico modificable para una tensión del circuito intermedio dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil u ajusta el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente dependiendo del valor teórico y de la tensión del circuito intermedio. Con los dispositivos de registro se pueden registrar por consiguiente una tensión eléctrica del circuito intermedio y un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil. El valor teórico es ajustado dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil, llevándose posteriormente la tensión del circuito intermedio al valor teórico, gracias a que el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente es ajustada correspondientemente.
Según la invención, de este modo, se puede mantener el sistema de propulsión de un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, para diferentes estados de funcionamiento del vehículo automóvil, en gran medida en un estado de funcionamiento de energía óptimo. El nivel de la tensión de circuito intermedio es influido por la velocidad del vehículo automóvil, de manera que en la segunda conexión de corriente, que se puede cargar y descargar, la cual está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión, hay una valor de tensión correspondiente. La segunda conexión de fuente de corriente comprende en acumulador para el almacenamiento de cargas eléctricas, en especial uno o varios condensador de doble capa, de manera que con el valor teórico de la tensión de circuito intermedio se ajusta un valor teórico de la carga del condensador. De este modo, resulta posible influir sobre el contenido de energía de la segunda conexión de fuente de corriente dependiendo de la velocidad del vehículo automóvil. Con ello se puede conmutar, para estados de funcionamiento diferentes, por ejemplo desde "fuerte aceleración" a "alta recuperación de energía de frenado". Se pueden representar fundamentalmente también todos los estados de funcionamiento intermedios. La gestión de la energía depende, por consiguiente, sobre todo de los valores de la tensión de circuito intermedio y de la velocidad del vehículo automóvil. Dependiendo de estos valores el control de la liberación de potencia actúa la primera conexión de fuente de corriente la cual, por ejemplo, en caso de una tensión de circuito intermedio baja suministra una corriente más alta al circuito intermedio que en el caso de una tensión de circuito intermedio mayor. El control depende, al mismo tiempo, ampliamente de la conexión eléctrica concreta de los componentes. Los valores límite del control dependen de la velocidad de circulación del vehículo automóvil.
Según una forma de realización de la invención el valor teórico para la tensión del circuito intermedio es aumentado cuando desciende la velocidad del vehículo automóvil y es reducido cuando la velocidad del vehículo automóvil aumenta. Por consiguiente, se puede conseguir que para velocidades bajas del vehículo automóvil haya una mayor tensión de circuito intermedio en la segunda conexión de fuente de corriente, de manera que para el caso de que los condensadores de la segunda conexión de fuente de corriente se utilicen para el almacenamiento de energía eléctrica, estos sean cargados correspondientemente más para velocidades bajas del vehículo automóvil. De este modo, está disponible su energía almacenada para procesos de aceleración del vehículo automóvil. Por otro lado se puede conseguir, para velocidades del vehículo altas y tensión del circuito intermedio baja, que los condensadores en la segunda conexión de fuente de corriente estén cargados correspondientemente menos y que, por consiguiente, puedan admitir una energía de frenado comparativamente grande, dado que los condensadores presentan también una intensidad de corriente máxima admisible, se pueden llevar a cabo de esta manera procesos de aceleración y de frenado comparativamente fuertes únicamente con la ayuda de la energía almacenada o que se puede almacenar en la segunda conexión de fuente de corriente.
En un perfeccionamiento de la invención, el dispositivo de control ajusta el valor teórico para la tensión del circuito intermedio a su valor máximo, cuando el vehículo automóvil se encuentra en parada, y lo ajusta a un valor mínimo, cuando la velocidad del vehículo automóvil es máxima. Correspondientemente, existe una capacidad de aceleración aumentada y una recuperación de energía de frenado mejorada para la velocidad máxima.
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Según la invención, en el sistema de propulsión está prevista asimismo una tercera conexión de fuente de corriente, que se puede cargar y descargar, la cual está conectada con el circuito intermedio. La tercera conexión de fuente de corriente está conectada de tal manea con el circuito intermedio que la tercera conexión de fuente de corriente suministra potencia al circuito intermedio, cuando se alcanza o se está por debajo de un valor umbral de la tensión del circuito intermedio. Una forma de realización de este tipo de un sistema de propulsión es especialmente ventajosa ya que la segunda conexión de fuente de corriente comprende por lo menos un condensador, en especial un condensador de doble capa, y la tercera conexión de fuente de corriente comprende, por lo menos, una batería. El condensador puede actuar al mismo tiempo como acumulador secundario, mientras que por lo contrario la batería actúa como así llamado acumulador de minutos, cuando el valor umbral de la tensión de circuito intermedio ha sido alcanzada o se está por debajo de ella. De esta manera, es posible asimismo mantener el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente ampliamente uniforme, de manera que a través de la primera conexión de fuente de corriente se puede suministrar la llamada carga básica al sistema de propulsión. Esto es ventajoso en especial para la utilización de una pila de combustible en la primera conexión de fuente de corriente, la cual genera potencia eléctrica mediante una reacción electroquímica. Se pueden evitar, de este modo, estados de funcionamiento que cambian mucho de la pila de combustible, como se practica por ejemplo en el documento US 2004/0172206 A1, de manera que no se precisa ningún control complejo, dotado con un tiempo de reacción corto, para el suministro de portadores de energía químicos.
En un perfeccionamiento ventajoso de la invención, se ajusta la potencia de carga de la tercera conexión de fuente de corriente dependiendo de la tensión del circuito intermedio. Por consiguiente, se puede ajustar la potencia de carga de una batería, prevista en una tercera conexión de fuente de corriente, dependiendo de la exigencia de carga del sistema de propulsión. De manera adicional o alternativa, se ajusta la potencia de carga de la tercera conexión de fuente de corriente preferentemente dependiendo de sus estado de carga. De este modo, se puede evitar que corrientes de cargas elevadas, por ejemplo durante el frenado, o corrientes de carga elevadas de la pila de combustible fluya a la batería de la tercera conexión de fuente de corriente. De este modo, se puede evitar que la duración de vida de la batería se vea reducida por corrientes de carga elevadas.
La invención se refiere asimismo a un vehículo automóvil con una propulsión híbrida eléctrica que comprende un sistema de propulsión eléctrico según la invención.
Otras estructuraciones y perfeccionamientos ventajosos de la invención se indican en las reivindicaciones subordinadas.
La invención se explica a continuación con mayor detalle a partir de las figuras representadas en el dibujo, que representan ejemplos de formas de realización de la presente invención, en el que:
la Fig. 1 muestra una disposición de conexión de una forma de realización de un sistema de propulsión según la invención para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente,
la Fig. 2 muestra una representación gráfica de una relación, a título de ejemplo, entre el valor teórico de la tensión de circuito intermedio y la velocidad de circulación del vehículo automóvil,
la Fig. 3 muestra una tabla de estado para una relación, a título de ejemplo, entre el valor teórico de la tensión de circuito intermedio y la velocidad de circulación del vehículo automóvil,
la Fig. 4 muestra un diagrama de flujo referido al registro y cálculo de diferentes parámetros durante el funcionamiento de un sistema de propulsión según la invención,
la Fig. 5 muestra un diagrama de flujo de potencia para la ilustración de un flujo de potencia, a título de ejemplo, entre los diferentes componentes de un sistema de propulsión según la invención.
las Figuras 6-8 muestran unas disposiciones de conexión de otras variantes de un sistema de propulsión según la invención.
En la Fig. 1, está representada una disposición de conexión de una forma de realización de un sistema de propulsión según la invención para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente en forma de un denominado vehículo automóvil híbrido eléctrico. Un circuito intermedio 5 sirve principalmente como circuito de suministro para una unidad de propulsión 4, que comprende uno o varios motores eléctricos. El motor eléctrico 42, mostrado en la Fig. 1, de la unidad de propulsión 4 es controlado por un convertidor 41, el cual transforma la corriente continua del circuito intermedio 5 en un sistema de corriente alterna para el accionamiento del motor eléctrico 42. Como motor de propulsión se utiliza, por ejemplo, una máquina sincrónica excitada permanentemente, en cuyo arrollamiento del estator se alimenta un sistema de corriente alterna para la formación de un campo giratorio. En el caso contrario del funcionamiento de la máquina de propulsión 42 como generador la potencia generada de manera generadora es suministrada a través del convertidor 41 al circuito intermedio 5. La máquina de propulsión 42 sirve para el accionamiento de las ruedas motrices del vehículo automóvil, ejerciéndose durante el funcionamiento generador de la máquina de propulsión 42 una fuerza de frenado correspondiente sobre las ruedas motrices. Si se utilizan varias máquinas de propulsión, entones estas están situadas directamente sobre los bujes de las ruedas del vehículo automóvil.
Para el suministro de la unidad de propulsión 4 con energía eléctrica sirven varias conexiones de fuente de corriente, tal como se describe a continuación. Una primera conexión de fuente de corriente 1 comprende, en el presente ejemplo de realización. una disposición de pila de combustible 15 con varias pilas de combustible 151 a 15n. Una pila de combustible de una célula electroquímica, la cual transforma la energía de reacción de un combustible suministrado de forma continua y de un medio de oxidación en energía eléctrica aprovechable. Una pila de combustible consta, fundamentalmente, de dos electrodos, los cuales están separados entre sí mediante una membrana o un electrolito. El ánodo (polo positivo) es enjuagados con combustible, el cual es oxidado allí, mientras que por el contrario el cátodo (polo negativo) es enjuagado con el medio de oxidación, que es reducido allí. Con el fin de obtener una tensión más alta se pueden conectar en serie varias células para formar una así llamada Stack, como en el presente ejemplo de realización según la Fig. 1.
La conexión de fuente de corriente 1 comprende asimismo un dispositivo de control 14, con el cual se puede regular el suministro de potencia de la disposición de pilas de combustible 15. La unidad de control 14 comprende al mismo tiempo un convertidor CC-CC 141, a los que están preconectados un diodo 143 y un conmutador 144. Con el convertidor 141 se suministra la corriente I_{BZ} de la disposición de pilas de combustible 15 al circuito intermedio 5.
El sistema de propulsión comprende además una segunda conexión de fuente de corriente 2, que se puede cargar y descargar, la cual está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión 4. La segunda conexión de fuente de corriente 2 comprende varias acumuladores para el almacenamiento de cargas eléctricas, en especial condensador de doble capa 21 a 2n (denominados Ultracaps), los cuales están conectados en serie. Los Ultracaps de caracterizan al mismo tiempo por una densidad de energía mucho mayor en comparación con los condensadores convencionales. Los electrodos de los Ultracaps almacenan la energía de forma electrostática, a diferencia de las baterías o las baterías de acumuladores, los cuales generan o almacenan la energía eléctrica de forma química. Dependiendo de la exigencia (capacidad, rigidez dieléctrica, tensión entre clemas) los condensadores individuales se pueden conectar en serie y/o en paralelo. Un condensador de doble capa con un tamaño adecuado se adecua bien para la tarea de almacenamiento presente en lo que respecta a la potencia y los costes. La duración necesaria de estos componentes sea adecua perfectamente al tráfico "Stop-and-go" de un vehículo automóvil. Su comportamiento eléctrico permite utilizar un condensador de doble capa como así llamado acumulador de segundos para el suministro o la admisión de corrientes elevadas de corta duración en un sistema de propulsión.
En particular, para el apoyo de la disposición de pilas de combustible 15, en especial para la velocidad máxima del vehículo automóvil o en tramos de montaña, se prevé una tercera conexión de fuente de corriente 3, la cual comprende una disposición de una o varias baterías 34. La batería 34 según la Fig. 1 está conectada, a través de un convertidor CC-CC 321 de una conexión de regulación 32, con el circuito intermedio 5. La conexión de regulación 32 está prevista, en especial, para el ajuste de la potencia de carga de la batería 34. Un diodo 33 está conectado, en la dirección de paso, entre la fuente de corriente en forma de batería 34 y el circuito intermedio 5, estando conectada la conexión de regulación 32 en paralelo con respecto al diodo 33, entre la batería 34 y el circuito intermedio 5. La batería 34 sirve, debido a su característica como así llamado acumulador de minutos, para el apoyo de la pila de combustible en los estados de funcionamiento mencionados.
Según la Fig. 1, se dispone por consiguiente de un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, que puede satisfacer en diferentes estados de funcionamiento del vehículo automóvil, diferentes exigencias en lo que respecta a la gestión de la energía. Para le propulsión del vehículo automóvil la máquina de propulsión 42 eléctrica acciona las ruedas motrices, como se ha descrito, mientras que por el contrario la máquina de propulsión 42 funciona como generador y genera corriente en el modo de frenado, durante el frenado del vehículo. La corriente del modo de frenado es almacenada temporalmente en la batería 34 o los Ultracaps 21 a 2n hasta que se alcanza la capacidad de carga. Únicamente cuando los acumuladores están llenos se destruye la potencia de frenado restante térmicamente en un plato de freno 6. Este plato de freno 6 presenta, en el caso presente, una resistencia de frenado 62 y un conmutador de potencia 61.
El sistema de propulsión según la presente invención comprende además varios dispositivos de registro para diferentes parámetros. Un primer dispositivo de registro 11 en forma de un sensor de medición sirve para el registro de la tensión U_{ZK} eléctrica del circuito intermedio 5, un segundo dispositivo de registro 12, asimismo en forma de un sensor de medición, sirve para el registro de un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil v. El valor característico para la velocidad del vehículo automóvil v se puede obtener de formas diferentes o representar magnitudes de medición diferentes. Según el presente ejemplo de forma de realización se procesa, para el registro de un valor característico para la velocidad del vehículo automóvil, una señal de velocidad de giro de la máquina de propulsión 42. En otra forma de realización se puede procesar, en lugar de esto, una señal de la indicación de velocidad del vehículo automóvil (señal tacómetro). Para las tareas de control que hay que realizar basta con procesar una señal en una forma la cual permita, de manera directa o indirecta, extraer conclusiones sobre la velocidad de circulación.
Está previsto además un tercer dispositivo de registro 13, el cual registra un estado de carga de la conexión de fuente de corriente 3, en especial el estado de carga de la batería 34. El estado de carga se determina, en baterías de plomo, mediante la tensión de marcha en vacío y en la otras baterías mediante la medición de la corriente y el equilibrado de las corrientes, las cuales fluyen al interior de la o desde la batería. Para el presente caso de la utilización de una batería de plomo se suministra desde la batería 34 del dispositivo de registro 13, la tensión de la batería U_{B} en forma de un sensor de medición.
Los dispositivos de registro 11 a 13 están conectados con un convertidor de medición (MU) 142 del dispositivo de control 14. El convertidor de medición 142 sirve para el control del convertidor 141. Además, está previsto un convertidor de medición 322 de la conexión de regulación 32, con el fin de controlar el convertidor 321 para el control de la potencia de carga de la batería 34. La conexión de regulación 32, en especial el convertidor de medición 322, está conectada con el dispositivo de registro 31 para el registro de la tensión de circuito intermedio U_{ZK}, pudiendo estar realizado el dispositivo de registro 31 por separado o formando una unidad con el dispositivo de registro 11.
El dispositivo de control 14 formado por el convertidor de medición 142, el cual contiene por ejemplo un microprocesador, y el convertidor 141, está formado de tal manera que ajusta un valor teórico U_{ZKteórico} modificable para la tensión del circuito intermedio dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil v y ajusta el suministro de potencia de la conexión de fuente de corriente 1, en especial la corriente I_{BZ}, dependiendo del valor teórico U_{ZKteórico} y de la tensión U_{ZK} del circuito intermedio. Dicho con otras palabras, se registra la tensión U_{ZK} eléctrica del circuito intermedio y un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil v, siendo ajustado el valor teórico U_{ZKteórico} dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil v. Gracias a que el suministro de potencia de la disposición de pilas de combustible 15 es ajustado de forma correspondiente, se lleva posteriormente la tensión U_{ZK} del circuito intermedio al valor teórico U_{ZKteórico}.
En la Fig. 2, está representada gráficamente, a título de ejemplo, una relación entre el valor teórico de la tensión intermedia y la velocidad del vehículo automóvil. En este caso, el valor teórico U_{ZKteórico} para la tensión del circuito intermedio es ajustado, a lo largo de una curva característica lineal, dependiendo de la velocidad del vehículo automóvil v, siendo aumentado el valor teórico U_{ZKteórico} cuando la velocidad del vehículo automóvil v desciende y siendo reducido cuando la velocidad del vehículo automóvil v aumenta. Correspondientemente el dispositivo de control 14 ajusta el valor teórico U_{ZKteórico} a un valor máximo U_{ZKteórico \ máx.}, cuando el vehículo automóvil se encuentra en parada, y a un valor mínimo U_{ZKteórico \ m\text{í}n.} cuando la velocidad del vehículo automóvil es máxima (v_{máx.}). Entre el valor máximo y el mínimo se ajuste el valor teórico a lo largo de una curva característica lineal dependiendo de la velocidad del vehículo automóvil v. Aquí son imaginables sin embargo también recorridos discrecionalmente diferentes de un valor teórico dependiendo de la velocidad del vehículo automóvil v, para poder responder por ejemplo a exigencias de carga adicionales, por ejemplo adicionalmente a un peso variado del vehículo automóvil.
A continuación se explica, a partir de un ejemplo, la característica de control descrita del dispositivo de control 14 y la gestión de la energía mejorada producida por ello del sistema de propulsión según la invención:
Cuando la máquina de propulsión 42 exige potencia, los Ultracaps 21 a 2n suministran energía de acuerdo con su característica, y la tensión de circuito intermedio U_{ZK} desciende por debajo del valor teórico U_{ZKteórico}. Cuanto menor es la tensión de circuito intermedio U_{ZK} tanto más potencia se libera de la disposición de pilas de combustible hasta alcanzar la corriente máxima I_{BZ \ máx.}. El control libera potencia de la disposición de pilas de combustible, y la corriente I_{BZ} fluye al circuito intermedio 5, con el fin de llevar de nuevo la tensión de circuito intermedio U_{ZK} el valor teórico. Esto tiene lugar hasta que se establece un equilibrio o se ha alcanzado la corriente máxima I_{BX \ máx.}. Si U_{ZK} continua descendiendo, hasta un valor umbral inferior U_{Bmáx.}, se activa la batería 34 y suministra la cantidad de energía que falta, en correspondencia con la potencia exigida. La tensión de circuito intermedio U_{ZK} es por consiguiente una medida de la potencia demandada. La tensión de circuito intermedio U_{ZK} es una medida del contenido de energía de los Ultracaps 21 a 2n y, por consiguiente, de la cargad del condensador.
Según la invención, el control del sistema de propulsión debe ofrecer una gestión de la energía óptima para estados de funcionamiento diferentes. Por este motivo se influye sobre el valor teórico de la carga del condensador y con ello sobre la tensión de circuito intermedio mediante la velocidad del vehículo. De este modo, se conmuta para estados de funcionamiento diferentes desde "fuerte aceleración" hasta "alta recuperación de energía de frenado". Se pueden representar también todos los estados intermedios. La Fig. 3 muestra en este contexto una tabla de estado para una relación, a título de ejemplo, entre el valor teórico de la tensión de circuito intermedio y la velocidad de circulación.
La Fig. 4 muestra un diagrama de flujo referido al registro y el cálculo de diferentes parámetros durante el funcionamiento del sistema de propulsión según la invención. En primer lugar se introducen los parámetros tensión de circuito intermedio U_{ZK}, valor característico de la velocidad de circulación v y tensión de la batería U_{B}. A continuación, se lleva a cabo una comparación con los valores límite o las curvas características predeterminados. A continuación se calcula el nuevo valor teórico de la tensión de circuito intermedio U_{ZKteórica}. A continuación se lleva la tensión U_{ZK} del circuito intermedio al valor teórico U_{ZKteórico}, siendo ajustada correspondientemente la corriente I_{BZ} de la disposición de pilas de combustible y, para el caso de que ésta no sea suficiente, se suministra adicionalmente corriente I_{B} procedente de la batería en el circuito intermedio.
En la Fig. 5, se muestra un diagrama de flujo para la ilustración, a título de ejemplo, de un flujo de potencia entre los diferentes componentes de un sistema de propulsión según la invención según la Fig. 1. En el ejemplo descrito más arriba tiene lugar la carga de la batería 34 y de los Ultracaps 21 a 2n sin control, de manera que pueden fluir a la batería corrientes de carga elevadas durante el frenado o desde la pila de combustible. Sin embargo, las corrientes de carga elevadas reducen la duración de vida de la batería. Por este motivo, se regula, dependiendo del estado de carga de la batería, su corriente de carga. En correspondencia con el estado de carga, la conexión de regulación 32 desconecta el convertidor 321. La corriente de carga depende de la exigencia de carga actual y con ello de U_{ZK}. Cuando más próximo sea U_{ZK} a U_{ZKteórico}, tanto mayor se puede ajustar la corriente de carga.
De este modo, la gestión de la energía para el sistema de propulsión según la forma de realización de acuerdo con la Fig. 1 depende por lo tanto únicamente de tres magnitudes que hay que medir: la tensión del circuito intermedio U_{ZKteórico}, la velocidad del vehículo automóvil v (exigencia de carga) y el estado de carga de la batería. El control actúa activamente únicamente en la liberación de la carga de la disposición de pilas de combustible y del regulador de carga de la batería. Los valores límite del control dependen de la velocidad de circulación del vehículo automóvil.
El principio en el que se basa el control según la invención es que cuantos más de los condensadores o los condensadores en la conexión de fuente de corriente 2 se descarguen, se aumenta correspondientemente la potencia del conversor de la conexión de fuente de corriente 1. Para una tensión de circuito intermedio máxima la potencia de la disposición de pilas de combustible corresponde a la potencia de carga de la batería. Si se retira energía del acumulador de condensador entonces se hace menor la tensión de circuito intermedio, y la potencia de la disposición de pilas de combustible se aumenta con retirada simultánea de la potencia de carga de la batería, hasta que llega a su potencia máxima. Para impedir que, en caso de tramos de montaña ligeros prolongados, los condensadores sean descargados de nuevo por completo (dado que no hay retirada de potencia o es muy poca), la señal de velocidad desplaza los valores límite de la tensión de circuito intermedio, para un 0% y un 100% de la toma de potencia de las pilas de combustible, hacia abajo, de manera que para recorridos de montaña prolongados se impida que la disposición de pilas de combustible suministre energía al sistema de propulsión. Además, se ajusta mediante el dispositivo de control 14 el suministro de potencia de tal manera que el suministro de potencia se reduce, cuanto mayor es la carga almacena en la batería 34. Con ello se reduce la potencia de la disposición de pilas de combustible, cuanto más llena está la batería. La medida para el estado de carga de la batería es, en el presente caso, su tensión de marcha en vacío.
Antes de la conexión de la pila de combustible los condensadores de la conexión de fuente de corriente 2 están cargados a la tensión nominal de la batería 34. Esto corresponde al nivel de energía más bajo del acumulador. El valor de la tensión eléctrica en el acumulador caracteriza del contenido de energía aprovechable. La disposición de pilas de combustible se puede poner simplemente en marcha, dado que de la batería i de la disposición de baterías se dispone de potencia suficiente para el suministro de los medios. Tras la liberación de la disposición de pilas de combustible se cargan los condensadores de doble capa hasta el valor máximo en correspondencia con la característica de regulación guardada. La aspiración fundamental es, en este caso, como se ha descrito con anterioridad a título de ejemplo, tener el acumulador lo más lleno posible en la parada del vehículo, con el fin de garantizar todo el apoyo para el proceso de aceleración. Al alcanzarse la velocidad máxima del vehículo automóvil el acumulador debe ser vaciado, hasta la tensión de la batería, con el fin de poder captar energía durante el siguiente proceso de frenado.
El comportamiento de regulación de la conexión de regulación 32 según la Fig. 1 se puede caracterizar de la manera siguiente: Por un lado, sirve la tensión de circuito intermedio U_{ZK} como magnitud de regulación para la potencia de carga de la batería. Al mismo tiempo es un principio fundamental que cuando más condensadores están cargados hay que aumentar correspondientemente la potencia del convertidor 321. Para una tensión de circuito intermedio U_{ZK} máxima la potencia de la batería es del 100%. Si se retira la energía de los condensadores de la conexión de circuito intermedio 2, entonces la tensión se hace menor, y la potencia de carga de la batería se reduce, por ejemplo, de forma lineal, hasta que ésta es entonces cero. Al mismo tiempo se tiene en cuenta el estado de carga de la batería. La corriente de carga máxima se ajusta hacia abajo de acuerdo con el estado de carga de la batería. Esto significa que cuanto más llena esté la batería menor será la corriente de carga o la potencia de carga de la batería. Además, se tiene en cuenta la influencia de la tensión de gaseado, la cual no debe ser superada en ningún caso durante la utilización de baterías de plomo de 2,4 V por célula.
Con el presente sistema de propulsión según la invención se pueden conseguir las siguientes propiedades de marcha de emergencia: si, a causa de una avería, se desconecta la disposición de pilas de combustible, se dispone de todos modos sin limitación del sistema de propulsión eléctrico restante. La energía de frenado puede continuar siendo captada por los condensadores. La batería o disposición de baterías deben suministrar sin embargo potencias claramente mayores lo que tiene como consecuencia en especial una carga térmica mayor. La autonomía del vehículo automóvil es también muy limitada debido al contenido de energía limitado de la batería.
Si los condensadores de la conexión de fuente de corriente 2 se han descargado tanto que la tensión de circuito intermedio U_{ZK} ha descendido hasta el nivel de la tensión nominal de las baterías, entonces estas han suministrado casi la totalidad de su energía aprovechable (la batería alimenta el sistema y el sistema sigue la tensión de la batería, adicionalmente los condensadores liberan potencia y ello según la diferencia entre la tensión de marcha en vacío de la batería y la tensión de la batería a plena carga). Al alcanzar este estado de funcionamiento se controla la disposición de pilas de combustible en cuanto a su potencia máxima. Cada necesidad adicional de potencia se puede suministrar entonces por parte de la batería 34, directamente a través del diodo de potencia 33 en el circuito intermedio 5.
Si los condensadores están completamente descargados (estado de entrega o tras una parada prolongada con la batería desconectada) entonces de puede cargar, a través de una resistencia de precarga, la disposición de condensadores de la batería hasta la tensión de batería. La resistencia de precarga, que conecta la conexión superior de la batería 34 con la conexión superior de la disposición de condensador 2, no está representada en la Fig. 1 por mor de la
claridad.
En un sistema de propulsión según la invención resulta además la siguiente ventaja adicional: cuando la disposición de pilas de combustible está desconectada hay suficiente energía por ejemplo para consumidores secundarios tales como la iluminación, las indicaciones del vehículo y similares durante mucho tiempo. Con el fin de realizar una protección contra heladas se puede utilizar la potencia de la batería para calentar de tal manera zonas parciales de la pila de combustible que estén por encima de 0ºC.
En la Fig. 6, se muestra una disposición de conexión de otra variante de un sistema de propulsión según la invención respecto de la disposición de conexión según la Fig. 1. La conexión de fuente de corriente 3 presenta una conexión de regulación 32 para la potencia de carga con un convertidor 323, el cual está conectado entre la batería 34 y el circuito intermedio 5. El resto de la conexión del sistema de propulsión coincide con la disposición de conexión según la Fig. 1. Por mor de la claridad no se han representado en la Fig. 6 los dispositivos de registro con los sensores de medición correspondientes y los convertidores de medición, los cuales controlan los convertidores 141 y 323. La conexión de regulación 32 está formada, de tal manera que tiene lugar un suministro de la batería 34 en el circuito intermedio 5 regulado dependiendo del estado de carga de la conexión de fuente de corriente 2. El convertidor 323 funciona de forma bidireccional, debiendo ser la potencia del convertidor correspondientemente elevada en la dirección del suministro de potencia procedente de la batería 34. Otra ventaja de la conexión según la Fig. 6 consiste en que con la posibilidad de control bidireccional del convertidor 323, se consigue una grado de libertad adicional en la gestión de la energía del sistema de propulsión.
En la Fig. 7, se muestra otra variante de una disposición de conexión de un sistema de propulsión según la invención con respecto a la disposición de conexión según la Fig. 1. Aquí la conexión de fuente de corriente 1 está conectada al nudo de comunicación K entre la batería 34 y el diodo 33. Los dispositivos de registro con los convertidores de medición no están representados en la Fig. 7 así como tampoco, a continuación, en la Fig. 8 por mor de la claridad. El convertidor 324 debe hacerse cargo del flujo de energía de la disposición de pilas de combustible 15 en la dirección de la conexión de fuentes de corriente 2 con los condensadores. Por el contrario, durante la carga de la batería 34 no es necesario ya el camino desde la disposición de pilas de combustible 15 pasando por el convertidor 324. En total se puede dimensionar, gracias a esta disposición, más pequeña la disposición de pilas de combustible 15, debiendo trabajar la batería 34 con más intensidad. De nuevo se gana un grado de libertad adicional, gracias a que esta forma de funcionamiento es ajustada mediante el convertidor 324.
En la Fig. 8, se muestra otra variante de la disposición de conexión de un sistema de propulsión según la invención frente a la disposición de conexión según la Fig. 6. La conexión de fuentes de energía 1 está conectada al nudo de conexión K entre la batería 34 y la conexión de regulación 32 con el convertidor 325. El convertidor 325 funciona de manera bidireccional. Desde este convertidor hay que llevar el flujo de energía de la disposición de pilas de combustible 15 en dirección hacia el circuito intermedio 5. Por el contrario, durante la carga de la batería 34 desee la disposición de pilas de combustible 15 ya no es necesario el camino a través del convertidor 325. La alimentación de la batería 34 en el circuito intermedio 5 puede tener lugar ahora, de manera regulada, dependiendo del estado de carga de los condensadores de la conexión de fuente de corriente 2. La potencia del convertidor 325 en la dirección del suministro de potencia desee la batería 34 debe ser también correspondientemente alta. En total se puede dimensionar también con esta disposición más pequeña la disposición de pilas de combustible 15, debiendo trabajar la pila 34 con mayor intensidad.

Claims (17)

1. Sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, que comprende:
-
una unidad de propulsión (4) que se puede hacer funcionar de forma motora y generadora,
-
una primera conexión de fuente de corriente (1) con un dispositivo de control (14) con el propósito de un suministro de potencia regulable,
-
una segunda conexión de fuente de corriente (2), que se puede cargar y descargar, con por lo menos un condensador (21), la cual está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión (4),
-
un circuito intermedio (5) eléctrico el cual está conectado con la primera y la segunda conexiones de fuente de corriente (1, 2) y con la unidad de propulsión (4),
-
una tercera conexión de fuente de corriente (3), que se puede cargar y descargar, con por lo menos una batería (34), la cual está conectada con el circuito intermedio (5),
-
un primer dispositivo de registro (11) para una tensión eléctrica (U_{ZK}) del circuito intermedio, que está conectado con el dispositivo de control (14),
-
un segundo dispositivo de registro (12) para un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v), que está conectado con el dispositivo de control (14),
-
estando formado el dispositivo de control (14) de tal manera que ajusta un valor teórico (U_{ZKteórico}) modificable para una tensión del circuito intermedio dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v) y ajusta el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente (1) dependiendo del valor teórico (U_{ZKteórico}) y de la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio,
-
en el cual la tercera conexión de fuente de corriente (3) está conectada de tal manera con el circuito intermedio (5) que la tercera conexión de fuente de corriente (3) alimenta potencia en el circuito intermedio (5), cuando se alcanza o se está por debajo de un valor umbral (U_{Bmáx.}) de la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio.
2. Sistema de propulsión según la reivindicación 1, en el que el dispositivo de control (14) aumenta el valor teórico (U_{ZNteórico}) para la tensión del circuito intermedio cuando desciende la velocidad del vehículo automóvil (v) y lo reduce cuando la velocidad del vehículo automóvil (v) aumenta.
3. Sistema de propulsión según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dispositivo de control (14) ajusta el valor teórico (U_{ZKteórico}) para la tensión del circuito intermedio a su valor máximo (máx.), cuando el vehículo automóvil se encuentra en parada, y lo ajusta a un valor mínimo (mín.), cuando la velocidad del vehículo automóvil (v) es máxima.
4. Sistema de propulsión según la reivindicación 3, en el que el dispositivo de control (14) ajusta, entre los valores máximo y mínimo (máx., mín.) un valor teórico (U_{ZKteórico}) a lo largo de una curva característica lineal dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v).
5. Sistema de propulsión según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que
-
la primera conexión de fuente de corriente (1) comprende, por lo menos, una pila de combustible (15), la cual genera potencia eléctrica mediante una reacción electroquímica,
-
la segunda conexión de fuente de corriente (2) comprende un acumulador para el almacenamiento de cargas eléctricas.
6. Sistema de propulsión según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que
-
está previsto un tercer dispositivo de registro (13), el cual registra el estado de carga de la tercera conexión de fuente de corriente (3) y que está conectado con el dispositivo de control (14),
-
el dispositivo de control (14) ajusta de tal manera el suministro de potencia que el suministro de potencia es reducido cuanto mayor es la carga almacenada en la tercera conexión de fuente de corriente (3).
7. Sistema de propulsión según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la tercera conexión de fuente de corriente (3) presenta una conexión de regulación (32) para la potencia de carga, que está conectada con el primer dispositivo de registro (11, 31) y que ajusta la potencia de carga en función de la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio.
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8. Sistema de propulsión según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que
-
la tercera conexión de fuente de corriente (3) presenta por lo menos un diodo (33) y una conexión de regulación (32) para la potencia de carga,
-
el diodo (33) está conectado, en la dirección de paso, entre una fuente de corriente (34) y el circuito intermedio (5),
-
la conexión de regulación (32) está conectada, en paralelo con respecto al diodo (33), entre la fuente de corriente (34) y el circuito intermedio (5).
9. Sistema de propulsión según la reivindicación 8, en el que la primera conexión de fuente de corriente (1) está conectada al nudo de conexión (K) entre la fuente de corriente (34) y el diodo (33).
10. Sistema de propulsión según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que
-
la tercera conexión de fuente de corriente (3) presenta una conexión de regulación (32) para la potencia de carga, la cual está conectada entre la fuente de corriente (34) y el circuito intermedio (5),
-
la conexión de regulación (32) está formada de tal manera que tiene lugar una alimentación desde la fuente de corriente (34) al circuito intermedio (5) regulada dependiendo de un estado de carga de la segunda conexión de fuente de corriente (2).
11. Sistema de propulsión según la reivindicación 10, en el que la primera conexión de fuente de corriente (1) está conectada al nudo de conexión (K) entre la fuente de corriente (34) y la conexión de regulación (32).
12. Procedimiento para el funcionamiento de un sistema de propulsión para un vehículo automóvil que se hace funcionar eléctricamente, que comprende:
-
una unidad de propulsión (4) eléctrica que se puede hacer funcionar de forma motora o generadora,
-
una primera conexión de fuente de corriente (1), una segunda conexión de fuente de corriente (2), que se puede cargar y descargar con por lo menos un condensador (21), que está conectada en paralelo con respecto a la unidad de propulsión (4), y una tercera conexión de fuente de corriente (3), que se puede cargar y descargar, con por lo menos una batería (34), la cual está conectada con el circuito intermedio (5),
-
un circuito intermedio (5) eléctrico, el cual está conectado con la primera y segunda conexiones de fuente de corriente (1, 2) y con la unidad de propulsión (4), con las etapas siguientes:
-
registrar una tensión eléctrica (U_{ZK}) del circuito intermedio y un valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v),
-
ajustar un valor teórico (U_{ZKteórico}) para una tensión del circuito intermedio dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v),
-
conducir posteriormente la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio hasta el valor teórico (U_{ZKteórico}) para la tensión del circuito intermedio, ajustándose correspondientemente el suministro de potencia de la primera conexión de fuente de corriente (1),
-
hacer funcionar la tercera conexión de fuente de corriente (3) de tal manera que la tercera conexión de fuente de corriente (3) almacena potencia en el circuito intermedio (5), cuando se ha alcanzado o se está por debajo de un valor umbral (U_{Bmáx.}) de la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el que el valor teórico (U_{ZKteórico}) para la tensión del circuito intermedio es aumentado cuando la velocidad del vehículo automóvil (v) desciende y reducido cuando aumenta la velocidad del vehículo automóvil (v).
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 ó 13, en el que el valor teórico (U_{ZKteórico}) para la tensión del circuito intermedio es ajustado, a lo largo de una curva característica lineal, dependiendo del valor característico de la velocidad del vehículo automóvil (v).
15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 14, en el que la potencia de carga de la tercera conexión de fuente de corriente (3) es ajustada dependiendo de la tensión (U_{ZK}) del circuito intermedio.
16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 12 a 15, en el que la potencia de carga de la tercera conexión de fuente de corriente (3) es ajustada dependiendo de su estado de carga.
17. Vehículo automóvil con una propulsión híbrida eléctrica que comprende un sistema de propulsión eléctrico según una de las reivindicaciones 1 a 11.
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