ES2961082T3 - Operación de alta velocidad de una máquina eléctrica - Google Patents

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Arthur Lyons
Matthew Boecke
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BAE Systems Controls Inc
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Abstract

Se proporciona un vehículo eléctrico híbrido que tiene un interruptor controlable que permite operar un enlace de CC independientemente de un sistema de almacenamiento de energía (ESS). El ESS se puede acoplar selectivamente al enlace de CC a través del interruptor controlable. Un procesador está configurado para controlar el interruptor para abrir y cerrar bajo ciertas condiciones. Cuando se abre el interruptor, el procesador está configurado para ordenar a un controlador de motor que haga que un motor que está acoplado a un generador aumente la potencia del motor. El generador está acoplado a un inversor generador que también está acoplado al enlace de CC. Un inversor de motor también está acoplado al enlace de CC y está configurado para proporcionar energía de CA al motor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Operación de alta velocidad de una máquina eléctrica
Campo de la invención
Esta invención se refiere a vehículos eléctricos híbridos. Más específicamente, esta invención se refiere a un sistema y dispositivos de almacenamiento legibles por ordenador para permitir altas potencias a la operación de alta velocidad de un motor de accionamiento.
Antecedentes
En un vehículo eléctrico híbrido típico, un motor de tracción está conectado a la electrónica de accionamiento de motor, un ejemplo de la cual es un inversor. El inversor recibe potencia de CC de un enlace de CC. El enlace de CC se conecta típicamente a al menos un sistema de almacenamiento de energía. El enlace de CC también se conecta típicamente a la electrónica de potencia del generador, un ejemplo de la cual es otro inversor. La electrónica de potencia del generador está conectada a un generador que a su vez está conectado a un motor de combustión interna. En esta configuración, un voltaje en el enlace de CC impacta en la salida que el motor de tracción es capaz de generar.
Una máquina eléctrica típica tiene características de rendimiento que incluyen una relación de par constante a potencia constante. Por debajo de una cierta velocidad, una potencia de velocidad de base aumenta con un par constante mientras que por encima de la velocidad de base, la potencia es constante y el par disminuye hasta que el motor alcanza una velocidad máxima.
Por lo tanto, a velocidades altas, la potencia del motor tractor se limita por un voltaje en el enlace de CC.
El documento WO 2016/087924 A1 describe un automóvil híbrido en el que un primer motor, un motor y un árbol de transmisión acoplado a un árbol están conectados respectivamente a un engranaje solar, un portador y un engranaje anular de un conjunto de engranajes planetarios y un segundo motor está conectado al árbol de accionamiento, durante un período de recorrido predeterminado en el que el motor está operativo y las respectivas puertas de un primer inversor y un segundo inversor usado para accionar el primer motor y el segundo motor están bloqueados, el motor se controla de manera que el primer motor gira a una velocidad de rotación predeterminada, y un convertidor de refuerzo se controla de manera que un voltaje de una línea de alimentación del sistema de voltaje de accionamiento alcance un voltaje diana correspondiente a una cantidad de depresión del acelerador.
Resumen
En consecuencia, se describe un sistema que puede aumentar un voltaje del enlace de CC cuando sea necesario sin la disuasión de un sistema de almacenamiento de energía, aumentando así la relación de par constante a potencia constante para un motor de tracción.
En un aspecto de la invención, el sistema comprende un conmutador controlable que permite que el enlace de CC funcione independientemente del sistema de almacenamiento de energía.
En aspectos de la invención, el sistema comprende un primer inversor acoplado a un generador y un enlace de CC, un sistema de almacenamiento de energía acoplable selectivamente al enlace de CC; un motor, un segundo inversor acoplado al enlace de CC, un árbol de propulsión acoplado al motor, un conmutador y un procesador. El generador puede acoplarse mecánicamente a un motor. El primer inversor, cuando el generador está acoplado al motor, está configurado para recibir potencia de CA del generador y proporcionar potencia de CC para el enlace de CC. El segundo inversor configurado para recibir la potencia de C<c>desde el primer inversor y el sistema de almacenamiento de energía cuando se acopla y proporciona potencia de CA al motor. El conmutador está configurado para cerrar eléctricamente el sistema de almacenamiento de energía al enlace de CC y abrirse para aislar eléctricamente el sistema de almacenamiento de energía del enlace de CC.
El procesador está configurado para controlar el conmutador para abrirse cuando una salida de propulsión requerida del motor correspondiente a una propulsión solicitada excede una potencia disponible para el motor o cuando una salida del motor que se puede producir a partir de la potencia disponible para el motor es menor que la salida de propulsión requerida del motor correspondiente a la propulsión solicitada. Cuando se abre el conmutador, el procesador está configurado para indicar a un controlador de motor que haga que el motor aumente la salida del motor.
También se describe un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador que tiene instrucciones, que cuando son ejecutadas por un procesador hace que el procesador determine una potencia de salida requerida desde un motor correspondiente a una propulsión solicitada para un vehículo, determinar la potencia de entrada disponible para el motor, la potencia de entrada disponible se basa al menos en un estado de carga de un sistema de almacenamiento de energía, y comparando la potencia de entrada determinada con la potencia de salida determinada requerida. Cuando la potencia de entrada determinada es menor que la potencia de salida determinada requerida, las instrucciones hacen además que el procesador controle un conmutador conectado entre el sistema de almacenamiento de energía y un enlace de CC para abrir y emitir un comando a un controlador de motor para hacer que el motor aumente la salida del motor. El motor está acoplado a un inversor de motor. El inversor de motor está configurado para suministrar el motor con potencia de CA. El inversor de motor está acoplado al enlace de CC. El sistema de almacenamiento de energía es acoplable selectivamente al enlace de CC. El motor es acoplable al generador. El generador está acoplado a un inversor de generador y el inversor de generador también está acoplado al enlace de CC.
También se describe un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador que tiene instrucciones, que cuando son ejecutadas por un procesador hace que el procesador determine una potencia de salida requerida desde un motor correspondiente a una propulsión solicitada para un vehículo, determinar una potencia de salida del motor que se puede producir a partir de una potencia disponible para el motor, y comparar la potencia de salida determinada requerida con la potencia de salida determinada producible. Cuando la potencia de salida determinada producible es menor que la potencia de salida requerida, las instrucciones hacen además que el procesador controle un conmutador conectado entre el sistema de almacenamiento de energía y un enlace de CC para abrir y emitir un comando a un controlador de motor para hacer que el motor aumente la salida del motor. El motor está acoplado a un inversor de motor. El inversor de motor está configurado para suministrar el motor con potencia de CA. El inversor de motor está acoplado al enlace de CC. El sistema de almacenamiento de energía es acoplable selectivamente al enlace de CC. El motor es acoplable al generador. El generador está acoplado a un inversor de generador y el inversor de generador también está acoplado al enlace de CC.
Dibujos
La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques de un sistema para un vehículo eléctrico híbrido según aspectos de la invención;
la Figura 2 ilustra un diagrama de flujo para responder a una propulsión solicitada según aspectos de la invención;
la Figura 3 ilustra un diagrama de flujo para responder a una propulsión solicitada según otros aspectos de la invención;
la Figura 4 ilustra un diagrama de flujo para responder a una propulsión solicitada cuando un conmutador está abierto según aspectos de la invención;
la Figura 5 ilustra un diagrama de flujo para responder a una propulsión solicitada cuando un conmutador está abierto según otros aspectos de la invención;
la Figura 6 ilustra un diagrama de bloques que muestra sensores de voltaje y corriente en un inversor según aspectos de la invención; y
la Figura 7 ilustra un gráfico de una velocidad frente al par para (i) un estado limitado de voltaje debido al sistema de almacenamiento de energía y (ii) un estado conmutado según aspectos de la invención.
Descripción detallada
El vehículo eléctrico híbrido 1 descrito es capaz de operar una máquina eléctrica a velocidades altas. La máquina eléctrica puede ser un motor eléctrico, tal como, pero no limitado a, un motor inductivo o un motor de imán permanente. El término vehículo usado en el presente documento significa un automóvil, autobús, taxi, embarcación, avión, tren, tanque, camión o helicóptero o cualquier otro aparato móvil propulsado por un motor y un sistema híbrido. Por ejemplo, los aspectos de la invención pueden usarse en un avión donde se necesita energía adicional para maniobras aéreas.
La Figura 1 ilustra un diagrama de bloques de un vehículo 1 según aspectos de la invención. El vehículo 1 está configurado como un vehículo eléctrico híbrido en serie. El vehículo 1 comprende un motor 10. El motor 10 (por ejemplo, un motor principal) puede ser un motor que usa gasolina, un motor diesel o un motor de gas natural comprimido (CNG) (denominado colectivamente en la presente descripción “ combustible” ). El motor 10 comprende un cigüeñal (no mostrado en las figuras). El cigüeñal gira.
El vehículo 1 también comprende un generador de arranque integrado (“ ISG” ) 15. El ISG 15 comprende un árbol móvil (tampoco mostrado en las figuras).
El ISG 15 puede estar montado en el motor 10 de varias maneras. Por ejemplo, el árbol móvil del ISG puede acoplarse directamente o montarse en el cigüeñal del motor. En otros aspectos de la descripción, el ISG 15 puede conectarse a través de un sistema de correa/polea al cigüeñal del motor. Alternativamente, el ISG 15 puede conectarse a un árbol de toma de potencia (PTO). En otros aspectos, el ISG 15 puede conectarse a una caja de engranajes que a su vez está conectada a un árbol del motor. Cuando se usa un sistema de caja de engranajes y/o correa/polea, el mismo proporciona una relación fija de velocidad del motor a una velocidad ISG. En un aspecto de la invención, la velocidad del motor puede ser diferente de la velocidad del generador. Esta diferencia se conoce por adelantado (por la relación de velocidad fija). Por lo tanto, cuando se conoce la velocidad del generador, también conoce la velocidad del motor.
El ISG 15 puede ser un generador de imanes permanentes. Se pueden usar otros generadores. Cuando se acopla al motor 10 (denominado en el presente documento como el genset), el generador proporciona energía eléctrica de CA trifásica. El ISG 15 puede proporcionar una potencia eléctrica de CA de frecuencia variable. El ISG 15 es un generador de alto voltaje.
El ISG 15 está acoplado eléctricamente al sistema de control de propulsión (PCS) 27. El acoplamiento se muestra con tres líneas gruesas (frente a una línea delgada). El PCS 27 proporciona el procesamiento y conversión de potencia.
El PCS 27 comprende dos inversores 25 y 30. El inversor 25 está acoplado al ISG 15 y recibe la potencia de CA trifásica del mismo. Dado que el inversor 25 está acoplado al ISG 15, el inversor también se denomina en el presente documento inversor generador. El inversor 25 de generador convierte la alimentación de CA trifásica en un voltaje de CC para un enlace de CC de alto voltaje 65. El enlace 65 de CC de alto voltaje se muestra en las figuras como dos líneas gruesas conectadas al inversor 25 de generador y el inversor 30 (así como el sistema de almacenamiento de energía (ESS 20). La palabra alto usada en la presente significa un voltaje por encima de 50 V.
El ESS 20 proporciona una energía eléctrica de corriente continua (CC) al mismo enlace 65 de CC de alto voltaje. El ESS puede incluir baterías de iones de litio. En un aspecto de la invención, el voltaje nominal del enlace 65 de CC de alto voltaje está por encima de 600 V. La potencia del ISG 15 (a través del inversor 25) también puede recargar el ESS 20 (así como la energía regenerativa recuperada del tren propulsor).
El ESS 20 también puede incluir alternativamente ultracondensadores, baterías de plomo-ácido y otros medios de almacenamiento de energía. El ultracondensador puede incluir un condensador de doble capa eléctrica (EDLC), también conocido como un supercondensador, supercondensador o un condensador de doble capa electroquímica, que tiene un condensador electroquímico con una densidad de energía relativamente alta.
El inversor 30 está conectado eléctricamente al ESS 20 y al inversor 25 a través del enlace 65 de CC de alto voltaje. El inversor 30 recibe potencia de CC del inversor 25 y ESS 20 y proporciona una potencia de CA trifásica. La potencia de CA trifásica se muestra en la Figura como tres líneas gruesas conectadas al inversor 30.
El vehículo 1 comprende además un conmutador 50 conectado entre el ESS 20 y el inversor 25, 30. El conmutador 50 se coloca para aislar o acoplar eléctricamente el ESS 20 desde/hasta el enlace 65 de CC de alto voltaje. En un aspecto de la invención, el conmutador 50 puede incorporarse en el ESS 20. En otros aspectos de la invención, el conmutador 50 puede incorporarse en los cables/líneas que conectan el ESS 20 al PCS 27. En otros aspectos de la invención, el conmutador 50 puede incorporarse en el PCS 27.
De forma ventajosa, el conmutador 50 permite que el voltaje del enlace 65 de CC sea independiente del voltaje del ESS 20.
En un aspecto de la invención, el conmutador 50 es un relé (por ejemplo, un conmutador operado eléctricamente). Por ejemplo, el relé puede ser un contactor (para aplicaciones de alta potencia).
En un aspecto de la invención, el conmutador 50 puede ser de simple polo simple tiro (SPST). En un estado, el conmutador 50 puede estar cerrado, conectando eléctricamente el ESS 20 al enlace 65 de CC de alto voltaje. En otro estado, el conmutador 50 puede estar abierto, aislar eléctricamente el ESS 20 del enlace 55 de CC de alto voltaje. Si bien se ha descrito un dispositivo SPST en el presente documento, se pueden usar otros tipos de dispositivos de conmutación tales como un dispositivo rotativo con dos estados. En otros aspectos de la invención, los conmutadores pueden ser basados en semiconductores, tal como un MOSFET. En otros aspectos de la invención, se puede usar un conmutador operado mecánicamente.
El término inversor usado en el presente documento no solo significa circuitos para transformar CC en CA o viceversa, sino que también incluye circuitos de control y programas para determinación de frecuencia y cálculos de ciclo de trabajo para regular el voltaje de salida, corriente (por ejemplo, potencia). La regulación puede basarse en un comando de propulsión. El inversor también incluye sensores. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 6, el inversor 30 comprende sensores 600 de voltaje y sensores 605 de corriente. En un aspecto de la invención, un sensor de voltaje detecta un voltaje del enlace 65 de CC de alto voltaje. En otro aspecto de la invención, los sensores 600 de voltaje detectan el voltaje de cada una de las tres fases emitidas desde el inversor 30. De manera similar, los sensores 605 de corriente detectan la corriente de cada una de las tres fases emitidas desde el inversor 30.
El vehículo 1 comprende además una unidad 35 de control de sistema (SCU). La SCU se comunica con varios componentes del vehículo sobre una red de área de control (CAN), mostrada en las figuras como líneas de comunicación delgadas. Por ejemplo, la SCU 35 se comunica con ambos inversores 25 y 30, el ESS 20, el conmutador 50 y un controlador en el motor, por ejemplo, el controlador 55 de motor.
El vehículo 1 puede comprender además dispositivos 60 de entrada. Por ejemplo, los dispositivos 60 de entrada pueden comprender un pedal de gas y un pedal de freno. Se pueden usar otros tipos de dispositivos 60 de entrada, tales como controles para una persona discapacitada, por ejemplo, controles manuales mecánicos, mandos giratorios y similares. El dispositivo de entrada no se limita a los ejemplos anteriores y se puede usar cualquier dispositivo de entrada de usuario conocido. En otros aspectos de la invención, el dispositivo de entrada puede ser un yugo o palo en un avión. Los dispositivos 60 de entrada se usan para introducir la propulsión solicitada (por ejemplo, una solicitud de propulsión). La SCU 35 recibe la propulsión solicitada y determina un comando de propulsión basado en el mismo. Un comando de propulsión utilizado en el presente documento es un comando de par o de velocidad.
En un aspecto de la invención, la propulsión solicitada se basa en una posición angular del pedal de gas y/o del pedal de freno. Cuando se usan otros dispositivos de entrada, la posición del mismo puede determinar la propulsión solicitada. En otros aspectos de la invención, el vehículo puede ser un vehículo automotriz y la propulsión solicitada puede basarse en uno o más sensores que detectan las condiciones de accionamiento incluyen el tipo de carretera, el tráfico y la distancia a otros vehículos. En otros aspectos de la invención, la propulsión solicitada puede activarse mediante un sistema de control de crucero adaptativo.
La SCU 35 comprende un procesador y una memoria. Ciertas funcionalidades del procesador se describirán en detalle más adelante.
El procesador puede ser un microcontrolador o microprocesador o cualquier otro hardware de procesamiento tal como una CPU o GPU. La memoria puede estar separada del procesador (así como integrada en el mismo). Por ejemplo, el microcontrolador o microprocesador incluye al menos un dispositivo de almacenamiento de datos, tal como, pero sin limitarse a, RAM, ROM y almacenamiento persistente. En un aspecto de la invención, el procesador puede configurarse para ejecutar uno o más programas almacenados en un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador. El dispositivo de almacenamiento legible por ordenador puede ser RAM, almacenamiento persistente o almacenamiento extraíble. Un dispositivo de almacenamiento es cualquier pieza de hardware que sea capaz de almacenar información, tal como, por ejemplo, sin limitación, datos, programas, instrucciones, código de programa y/u otra información adecuada, ya sea de forma temporal y/o permanente.
Como se describirá más adelante, la SCU 35 controla el estado del conmutador 50 basándose en al menos la propulsión solicitada y un estado de carga en el ESS 20.
El vehículo 1 comprende además un motor de propulsión 40 (que es un ejemplo de una máquina eléctrica) y un árbol 45 de propulsión. El motor 40 de propulsión propulsa el vehículo 1 usando el árbol 45. En un aspecto de la invención, el motor de propulsión puede ser un motor de tracción de CA y usarse en cualquiera de los vehículos descritos anteriormente, incluido el marino. Al igual que el ISG 15, el motor 40 puede ser un motor de inducción, motor de imán permanente de superficie o un motor de imán permanente interior. El tipo de máquina eléctrica utilizada puede ser específico de la aplicación y no se limita a los ejemplos descritos en el presente documento. Por ejemplo, pueden usarse otras máquinas eléctricas tales como flujo axial, reluctancia conmutada o motor(es) de núcleo de aire.
El árbol 45 de propulsión está acoplado directa o indirectamente a los ejes y ruedas del vehículo.
La Figura 2 ilustra un diagrama de flujo para responder a la propulsión solicitada según aspectos de la invención.
En S200, la SCU 35 determina cuándo recibe una solicitud de propulsión a través de los dispositivos 60 de entrada. La solicitud de propulsión puede ser una solicitud positiva, por ejemplo, más velocidad o par, desde el dispositivo de entrada, una solicitud negativa, por ejemplo, menor velocidad o par, desde el dispositivo de entrada, en inercia o frenado del pedal de freno.
Cuando la SCU 35 recibe una solicitud (“ Y” en S200), la SCU 35 determina si la solicitud es una solicitud positiva en S205. Esta determinación puede basarse en un cambio en el ángulo del pedal de gas (u otro dispositivo de entrada) y las detecciones por sensores para un vehículo automotriz o un control de crucero adaptativo y así como la velocidad/par actual del motor 40. En otros aspectos de la invención, la determinación puede basarse en otras entradas tales como una lectura de odómetro.
Cuando la SCU 35 determina que la solicitud es para una propulsión positiva, por ejemplo, aumentar la velocidad o el par, la SCU 35 determina el par o la velocidad necesaria para satisfacer la solicitud en S210. La determinación de un par o velocidad necesaria para satisfacer una solicitud es bien conocida y no se describirá en detalle en el presente documento. Por ejemplo, se puede determinar la PsalidaNecesaria (Psolicitada) por una posición del pedal del acelerador (u otras interfaces de conductor como se describió anteriormente o desde los sensores del vehículo) y la retroalimentación proporcionada por el operador u otros sistemas del vehículo. Se determina una velocidad del motor usando un sensor de velocidad (no mostrado). El sensor de velocidad discreta puede ser un sensor de RPM u otro tipo de sensor. Por ejemplo, el sensor puede ser un resolutor o un sensor de efecto hall. El tipo de sensores no se limita a los sensores descritos anteriormente y se pueden usar otros sensores. En otros aspectos de la invención, la velocidad del motor puede determinarse mediante el uso de un control sin sensor. El par del motor para una velocidad dada se determina por el voltaje de la máquina y la corriente suministrada. Los parámetros de la máquina, como, entre otros, las inductancias de la máquina, la resistencia, el diámetro del rotor, el número de polos, las densidades de flujo... y similares, determinan cuánto par se produce para un amperaje de corriente determinado dependiendo del tipo de máquina eléctrica. Además, pueden usarse otros sensores para determinar una potencia adecuada, tal como sensores de temperatura, sensores de voltaje y corriente.
La Figura 7 ilustra un gráfico 700 de par frente a las curvas 705 y 710 de velocidad. El eje y es el par eléctrico y el eje x es la velocidad de la máquina eléctrica. A continuación se muestra cierta velocidad, el par es constante. Por encima de la velocidad, el par disminuye con un aumento de velocidad. La curva 705 representa una curva de velocidad frente a par donde el ESS 20 está acoplado al enlace de CC de alto voltaje. Por lo tanto, el voltaje del ESS 20 limita la potencia disponible para una velocidad dada. La curva 710 representa una curva de velocidad frente a par donde el ESS 20 está aislado del enlace de CC de alto voltaje según aspectos de la invención, p. ej., la energía disponible no está limitada por el ESS 20. Como puede observarse a partir de las dos curvas 705 y 710, la curva se desplaza a la derecha cuando el ESS 20 está aislado del enlace de CC de alto voltaje según aspectos de la invención. El desplazamiento mueve la velocidad a la que el par cambia de un par constante a un par decreciente a una velocidad alta. Por lo tanto, dado que la potencia se determina a partir de la ecuación 1 (velocidad veces par), el par más alto puede producirse a velocidades más altas (por lo tanto, está disponible una mayor potencia).
En S215, la SCU 35 determina la potencia de salida requerida desde el motor 40 necesaria para la solicitud como se describió anteriormente.
La potencia de una máquina eléctrica (P) se determina a partir de la siguiente ecuación:
P = Velocidad * Par (1)
En S220, la SCU 35 determina la potencia actual disponible (potencia presente). La potencia actual disponible, p. ej., PentradaActual es una función del SOC del ESS 20 y del límite actual del sistema (potencia actual). En un aspecto de la invención, la SCU 35 monitoriza el SOC del ESS 20 y determina el voltaje actual (voltaje presente) del ESS 20, Vactual. El límite de corriente, por ejemplo, ILimite, del sistema incluye un límite de corriente de la electrónica de potencia que incluye el inversor 25 y el inversor 30 y, así como un límite de corriente para el motor 40. En un aspecto de la invención, también se puede usar un límite de corriente del ESS 20. El(los) límite(s) de corriente es/son un parámetro preestablecido y pueden almacenarse en la memoria.
La potencia actual disponible (como entrada) se determina a partir de la siguiente ecuación:
PentradaActual= Vactual * ILimite. (2)
En S225, la SCU 35 determina si la potencia de entrada disponible (PentradaActual) es mayor que la potencia de salida solicitada, por ejemplo, PentradaActual > PsalidaNecesaria (también referenciada como la potencia de salida requerida). En este aspecto de la invención, las pérdidas en el motor en las condiciones actuales se ignoran. Cuando la PentradaActual es mayor que PsalidaNecesaria (“Y” en S225), la salida requerida del motor no está limitada por el ESS 20. Por lo tanto, el ESS 20 no necesita aislarse del enlace 65 de CC de alto voltaje. La SCU 35 emite un comando de propulsión, por ejemplo, un comando de par o velocidad, al inversor 30 (inversor de motor) a través de CAN en S230. Por otro lado, cuando la PentradaActual no es mayor que la PsalidaNecesaria (“ N” en S225), la salida requerida del motor está limitada por el ESS 20 (p. ej., limitada por el voltaje en el enlace 65 de CC de alto voltaje). Dado que el ESS 20 está acoplado al enlace 65 de CC de alto voltaje, el voltaje del enlace 65 de CC no puede aumentarse sin afectar negativamente al ESS 20.
Por lo tanto, según aspectos de la invención, la SCU 35 controla el conmutador 50 para abrirse, aislando así el ESS 20 del enlace 65 de CC de alto voltaje. El aislamiento permite que el voltaje del enlace 65 de CC de alto voltaje sea independiente del ESS 20. Cuando se abre, el voltaje del enlace 65 de CC de alto voltaje puede aumentarse para aumentar la potencia de entrada disponible para satisfacer la demanda, por ejemplo, la potencia de salida solicitada. Esto se logra usando el motor 10 para accionar el ISG 15. El motor 10 puede aumentar su salida que, a su vez, puede aumentar el voltaje del enlace de CC 65 a través del inversor 25.
Mientras que el conmutador 50 se abre, la SCU 35 emite un comando de propulsión al controlador 55 de motor en S240. El motor satisface todos los requisitos de potencia para la potencia de salida solicitada. Cuando el motor aumenta la velocidad o el par, aumenta la velocidad del árbol del ISG a su vez. El aumento de la velocidad del árbol permite una mayor potencia de CA. El inversor 35 puede controlarse para convertir la potencia de CA más alta en una potencia de CC más alta (por ejemplo, VactualMotor). El término más alto aquí se refiere a cuándo se cerró el conmutador 50. Por lo tanto, dado que el voltaje en el enlace de CC 65 de alto voltaje aumenta, la PentradaActual aumenta (PentradaActual ahora es igual a VactualMotor * ILimite).
La apertura del conmutador 50 aumenta la relación constante de par a potencia constante para el motor 40 permitiendo que se pueda suministrar una mayor voltaje al motor. El voltaje puede aumentarse hasta un límite del motor.
Si en S205, la SCU 35 determina que la solicitud de propulsión no es un par positivo, por ejemplo, en inercia o un par negativo, la SCU 35 determina la potencia regenerativa disponible desde un tren propulsor en S250. La potencia regenerativa disponible, por ejemplo, Pdisponible, es una función de la velocidad actual del motor y del par. Como se ha descrito anteriormente, el par del motor se determina basándose en un voltaje de la máquina y la corriente suministrada así como parámetros específicos del motor. Por lo tanto, la Pdisponible puede determinarse determinando primero cuánto par se está produciendo para una corriente (amp) determinada para la máquina eléctrica específica, por ejemplo, motor y luego determinando la velocidad del motor. Como se describió anteriormente, la velocidad del motor puede determinarse mediante el uso de un sensor de velocidad discreto o determinarse mediante el uso de un control sin sensor. La Pdisponible se calcula entonces usando la ecuación 1. En otros aspectos de la invención, la energía que es la potencia que está disponible durante un tiempo determinado también puede usarse para determinar la conmutación. Una determinación de energía también se basa en energía cinética del vehículo, incluyendo altitud y masa. En este aspecto de la invención, se puede usar la condición de carretera esperada, tal como si el vehículo va bajando, donde la cantidad de energía disponible es alta.
En S255, la SCU 35 determina el SOC actual del ESS 20. Como se ha descrito anteriormente, la SCU 35 monitoriza el SOC del ESS 20. El SOC incluye tanto un voltaje como la corriente. Por lo tanto, la PSOC = Voltaje * Corriente, que se detecta o mide actualmente. En S260, la SCU 35 determina la potencia requerida para cargar el ESS 20 a una capacidad diana. En un aspecto de la invención, la capacidad diana es inferior al 100 %. La potencia necesaria, Pnecesaria =Pdiana - PSOC, cuya Pdiana es la capacidad diana y PSOC es la potencia actual en el estado de carga. La capacidad diana está preestablecida tanto para el voltaje como para la corriente y puede almacenarse en la memoria.
En S265, la SCU 35 determina si la energía disponible para la recarga del ESS es mayor que la potencia necesaria, por ejemplo, Pdisponible > Pnecesaria.
Cuando la potencia disponible para la recarga es mayor que la potencia necesaria (“Y” en S265), el ESS 20 se carga a la capacidad diana y el conmutador 50 se abre posteriormente en S270. La SCU 35 emite un comando al inversor 30 para habilitar la carga. Una vez cargada a la capacidad diana, la SCU 35 controla el conmutador 50 para abrirse. Cuando se abre el conmutador 50, el motor se impulsa de vuelta para proporcionar potencia de frenado, por ejemplo, el ISG 15 actúa como un amortiguador torsional en el motor.
Cuando la potencia disponible para la recarga no es mayor que la potencia necesaria (“ N” en S265), el ESS 20 se carga sin abrir el conmutador en S275. La SCU 35 emite un comando al inversor 30 para habilitar la carga.
Como se ha descrito anteriormente, el control ilustrado en la Figura 2 ignora pérdidas de máquina en las condiciones de funcionamiento. En otros aspectos de la invención, la SCU 35 puede determinar cuándo controlar el conmutador 50 que cuenta con pérdidas de máquina. Este control se representa en la Figura 3. Muchas de las características de la Figura 3 son las mismas que la Figura 2 excepto que S220, S225 y S250 se reemplazan con S300, S305 y S310. Las mismas características en la Figura 3 que la Figura 2 no se describirán nuevamente en detalle.
En la Figura 3 una vez que se determina la potencia de salida requerida (PsalidaNecesaria) en S215, la SCU 35 determina la potencia de salida máxima disponible en las condiciones de funcionamiento actuales (Pmax) en S300.
La potencia de salida máxima disponible (Pmax) se determina mediante la siguiente ecuación:
Pmax = E * Pactual, (3)
donde E es un parámetro de eficiencia y Pactual es la potencia de entrada actual disponible.
E se determina a partir de las pérdidas de la máquina, tales como pérdidas electromagnéticas, pérdidas parásitas, pérdidas por viento y pérdidas parásitas. En la ecuación 3, E es un valor inferior a 1. Diferentes tipos de máquinas, por ejemplo, de inducción, de imán permanente, etc., pueden tener diferentes pérdidas. Las pérdidas pueden incluir pérdida en el estator, pérdida en el rotor, pérdida en el núcleo, fricción y energía, pérdida por carga parásita, pérdidas por modulación por ancho de pulso (PWM). Estas pérdidas son conocidas por adelantado para la máquina.
Las pérdidas se basan en parte en la velocidad de operación a que la máquina está funcionando. En un aspecto de la invención, la memoria puede incluir una tabla de consulta que tiene una tabla de pérdida basada en velocidad, por ejemplo, para E. En otros aspectos de la invención, en lugar de tener un parámetro de pérdida E, cada tipo de pérdida puede tener su propio parámetro de eficiencia. Además, en otros aspectos de la invención, pueden tenerse en cuenta ciertas pérdidas y pueden ignorarse otras pérdidas.
En otros aspectos de la invención, las pérdidas también pueden basarse en la temperatura de la máquina, por ejemplo, la temperatura del motor. Además, para un motor de inducción, E también tiene en cuenta los voltajes que se utilizan en las distintas inductancias de la máquina.
De forma similar a lo anterior, Pactual se basa en el SOC del ESS 20, p. ej., Vactual y la ILimite del sistema. Por lo tanto, dado que las pérdidas no se ignoran en este aspecto de la invención, la potencia de salida máxima de la máquina (motor 40) (por ejemplo, Pmax) es menor que la potencia de entrada disponible (por ejemplo, Pactual).
En S305, la SCU 35 determina si la potencia de salida máxima disponible (Pmax) es mayor que la potencia de salida solicitada (PsalidaNecesaria), por ejemplo, Pmax > PsalidaNecesaria. Cuando la potencia de salida máxima disponible (Pmax) es mayor que la potencia de salida solicitada (PsalidaNecesaria) (“ Y” en S305), el conmutador 50 no se abre y la SCU 35 emite un comando de propulsión al inversor 30 para controlar el motor en S230. Cuando la potencia de salida máxima disponible (Pmax) no es mayor que la potencia de salida solicitada (PsalidaNecesaria) (“ N” en S305), el conmutador 50 se abre y la SCU 35 emite un comando de propulsión al controlador 55 del motor en S240.
En 310, cuando la SCU 35 determina que la solicitud de propulsión no es una solicitud positiva (“ N” en S205), la SCU 35 determina la potencia regenerativa disponible, por ejemplo, la potencia disponible para cargar el ESS 20. Esta determinación es similar a la descrita anteriormente, sin embargo, en este aspecto de la invención, la determinación también explica las pérdidas que incluyen la pérdida descrita anteriormente.
La SCU 35 también determina cuándo cerrar el conmutador 50 de un estado abierto. Las Figuras 2 y 3 describen un control cuando el conmutador 50 se cerró antes de recibir la solicitud de propulsión. Las Figuras 4 y 5 describen un control cuando el conmutador se abre antes de recibir un nuevo comando de propulsión (por ejemplo, después de S240 o S270).
En S400, la SCU 35 determina si recibe una nueva solicitud de propulsión a través de los dispositivos 60 de entrada. Una vez más, la solicitud de propulsión puede ser una solicitud positiva, por ejemplo, más velocidad o par, desde el pedal de gas, una solicitud negativa, por ejemplo, menor velocidad o par, desde el pedal de gas, en inercia o frenado desde el pedal de freno.
En S205, la SCU 35 determina si la solicitud es una solicitud de propulsión positiva. Cuando se determina que la solicitud es una solicitud positiva (“ Y” en S205), la SCU 35 determina el par o velocidad y potencia requeridos en S210 Y S215, respectivamente.
En S220, la SCU 35 determina la potencia de entrada disponible desde el ESS 20 desde el voltaje actual del ESS 20 (Vactual) y el límite de corriente para el sistema (ILimite) (por ejemplo, PessActual de potencia).
De forma Similar a la Figura 2, en S402, la SCU 35 compara la potencia de entrada disponible (PessActual) con la potencia de salida requerida (PsalidaNecesaria), por ejemplo, PessActual> PsalidaNecesaria. Cuando la potencia de entrada disponible actual (PessActual) es mayor que la potencia de salida requerida (PsalidaNecesaria) (“Y” en S402), el conmutador 50 se cierra en S405. La SCU 35 controla el conmutador 50 para que se cierre del estado abierto. Una vez cerrada, la SCU 35 emite un comando de propulsión al inversor 30 para controlar el motor 40. Cuando la potencia de entrada disponible actual (del ESS) no es mayor que la potencia de salida requerida (“ N” en S402), el conmutador 50 permanece abierto en S410. La SCU 35, si es necesario, emite un comando de propulsión al controlador 55 del motor en s240.
En las Figuras 5, S220 y S402 se reemplazan con S300 y 305. Por lo tanto, cuando la potencia máxima disponible en las condiciones de funcionamiento actuales (Pmax) es mayor que la potencia de salida requerida (PsalidaNecesaria) (“Y” en S305), por ejemplo, Pmáx > PsalidaNecesaria, la SCU 35 controla el conmutador 50 para que se cierre del estado abierto. Cuando la potencia máxima disponible en las condiciones de funcionamiento actuales (Pmax) no es mayor que la potencia de salida requerida (PsalidaNecesaria) (“ N” en S305), el conmutador 50 permanece abierto en S410. La SCU 35, si es necesario, emite un comando de propulsión al controlador 55 del motor en S240.
Si en S205 (en la Figura 4), la SCU 35 determina que la solicitud de propulsión no es un par positivo, por ejemplo, en inercia o un par negativo, la SCU 35 determina la potencia regenerativa disponible de un tren de propulsión o aún restante si está en inercia en S415. La potencia regenerativa disponible, por ejemplo, Pdisponible, es una función de la velocidad actual del motor y del par. La determinación de la potencia disponible se describió anteriormente y no se describirá de nuevo en detalle. La SCU 35 determina el SOC del ESS y la potencia necesaria para cargar el ESS con la capacidad diana en S255 y S260, respectivamente.
En S265, la SCU 35 determina si la potencia disponible (Pdisponible) es mayor que la potencia necesaria para cargar (Pnecesaria), por ejemplo,Pdisponible > Pnecesaria. Cuando la potencia disponible (Pdisponible) es mayor que la potencia necesaria para cargar (Pnecesaria) (“ Y” en S265), el conmutador 50 se mantiene en un estado abierto. En este aspecto de la invención, si se abrió el conmutador, se supone que el ESS ya está cargado en la capacidad diana.
Cuando la potencia disponible (Pdisponible) no es mayor que la potencia necesaria para cargar (Pnecesaria) (“ N” en S265), el conmutador 50 está cerrado. La SCU 35 controla el conmutador 50 para que se cierre de un estado abierto en S405. La SCU 35 emite posteriormente un comando a través de CAN al inversor 30 para hacer que el ESS 20 se cargue desde la potencia disponible en S420.
El control regenerativo en la Figura 5 es similar a la Figura 4, excepto que en S515, las SCU 35 representan las pérdidas mientras que en S415, las pérdidas se ignoran.
Si bien la Figura 1 ilustra una configuración híbrida en serie, se pueden usar otras configuraciones híbridas tales como una configuración en paralelo turbo compuesta donde se puede usar un generador turbo para proporcionar energía adicional que se usa para el amarre. Al igual que el ISG 15, el generador turbo se acopla a una máquina eléctrica (generador) que a su vez está acoplada al sistema inversor dual (tal como PCS 27) y el ESS 20. El turbo que está conectado al generador usa presión para proporcionar energía mecánica al generador eléctrico (por ejemplo,<i>S<g>) que a su vez produce potencia de CA. Como se describió anteriormente, el sistema inversor dual tiene un enlace de Cc de alto voltaje que conecta los inversores. El enlace de CC de alto voltaje también se conecta al ESS de una manera similar a la descrita anteriormente. Por lo tanto, la salida del generador turbo se limita de manera similar basándose en un voltaje del enlace de CC. Está disponible energía adicional cuando el ESS 20 está aislado del enlace de CC.
La funcionalidad descrita en el presente documento para las SCU es ejecutada por un procesador en el mismo. Como se usa en la presente descripción, además de la descrita anteriormente, el término “ procesador” puede incluir un único procesador de núcleo, un procesador de múltiples núcleos, múltiples procesadores ubicados en un solo dispositivo, o múltiples procesadores en comunicación cableada o inalámbrica entre sí y distribuido por una red de dispositivos, Internet o la nube. Por consiguiente, como se usa en el presente documento, las funciones, características o instrucciones realizadas o configuradas para ser realizadas por las SCU, pueden incluir el rendimiento de las funciones, características o instrucciones por un único procesador de núcleo, puede incluir el rendimiento de las funciones, características o instrucciones colectivamente o colaborativamente por múltiples núcleos de un procesador de múltiples núcleos, o puede incluir el rendimiento de las funciones, características o instrucciones colectivamente o colaborativamente por múltiples procesadores, donde cada procesador o núcleo no es necesario para realizar cada función, característica o instrucción individualmente.
Varios aspectos de la presente invención pueden incorporarse como un programa, software o instrucciones informáticas incorporadas o almacenadas en un ordenador o medio legible por máquina o legible, o un grupo de medios que hacen que el ordenador o máquina realice las etapas del método cuando se ejecuta en el ordenador, procesador y/o máquina. También se proporciona un dispositivo de almacenamiento de programas legible por una máquina, por ejemplo, un medio legible por ordenador, que incorpora de manera tangible un programa de instrucciones ejecutables por la máquina para realizar diversas funcionalidades y métodos descritos en la presente invención, por ejemplo, un producto de programa informático.
El medio legible por ordenador podría ser un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador o un medio de señal legible por ordenador. Un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador, puede ser, por ejemplo, un sistema, aparato o dispositivo magnético, óptico, electrónico, electromagnético, infrarrojo o semiconductor, o cualquier combinación adecuada de los anteriores; sin embargo, el dispositivo de almacenamiento legible por ordenador no se limita a estos ejemplos, excepto un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador excluye el medio de señal legible por ordenador. Los ejemplos adicionales del dispositivo de almacenamiento legible por ordenador pueden incluir: un disquete de ordenador portátil, un disco duro, un dispositivo de almacenamiento magnético, una memoria de solo lectura de disco compacto portátil (CD-ROM), una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM), una memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM o memoria Flash), un dispositivo de almacenamiento óptico o cualquier combinación apropiada de los anteriores; sin embargo, el dispositivo de almacenamiento legible por ordenador tampoco se limita a estos ejemplos. Cualquier medio tangible que pueda contener, o almacenar, un programa para su uso por o en conexión con un sistema, aparato o dispositivo de ejecución de instrucciones podría ser un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador.
Un medio de señal legible por ordenador puede incluir una señal de datos propagada con un código de programa legible por ordenador incorporado en el mismo, tal como, pero sin limitarse a, en banda base o como parte de una onda portadora. Una señal propagada puede tomar cualquiera de una pluralidad de formas, que incluyen, pero no se limitan a, una combinación electromagnética, óptica o cualquier combinación adecuada. Un medio de señal legible por ordenador puede ser cualquier medio legible por ordenador (exclusivo del dispositivo de almacenamiento legible por ordenador) que pueda comunicar, propagar o transportar un programa para su uso por o en conexión con un sistema, aparato o dispositivo. El código de programa incorporado en un medio de señal legible por ordenador puede transmitirse mediante el uso de cualquier medio apropiado, que incluye, pero no se limita a, conexión inalámbrica, cable, cable de fibra óptica, RF, etc., o cualquier combinación adecuada de los anteriores.
La terminología usada en el presente documento tiene el propósito de describir realizaciones particulares solamente y no pretende ser limitante del alcance de la invención y no pretende ser exhaustiva. Muchas modificaciones y variaciones serán evidentes para los expertos en la técnica sin apartarse del alcance de la invención.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Un sistema para un vehículo eléctrico híbrido que comprende:
    un primer inversor (25) acoplado a un generador (15), donde el generador es acoplable mecánicamente a un motor (10), el primer inversor, cuando el generador está acoplado al motor, está configurado para recibir potencia de CA del generador y proporcionar potencia de CC para un enlace de CC;
    un sistema (20) de almacenamiento de energía acoplable selectivamente al enlace DE CC; un motor (40);
    un segundo inversor (30) acoplado al enlace de CC y configurado para recibir la potencia de CC del primer inversor y el sistema de almacenamiento de energía cuando se acopla y proporciona energía de CA al motor; y
    un árbol (45) de propulsión acoplado al motor;
    ycaracterizado porqueel vehículo comprende además:
    un conmutador (50) configurado para cerrar eléctricamente el sistema de almacenamiento de energía al enlace de CC y abrirse para aislar eléctricamente el sistema de almacenamiento de energía del enlace de CC; y
    un procesador configurado para controlar el conmutador para abrirse cuando una salida de propulsión requerida del motor correspondiente a una propulsión solicitada excede una potencia disponible para el motor o cuando una salida del motor que se puede producir a partir de la potencia disponible para el motor es menor que la salida de propulsión requerida del motor correspondiente a la propulsión solicitada,
    en donde cuando se abre el conmutador, el procesador está configurado para instruir a un controlador (55) de motor para hacer que el motor aumente la salida del motor.
  2. 2. El sistema según la reivindicación 1, en donde cuando el conmutador (50) se abre y cuando la salida del motor es el refuerzo, un voltaje del enlace de CC aumenta independientemente del sistema (20) de almacenamiento de energía.
  3. 3. El sistema según la reivindicación 1, en donde la potencia disponible para el motor (40) se basa en un estado de carga del sistema (20) de almacenamiento de energía y un límite de corriente del sistema.
  4. 4. El sistema según la reivindicación 1, en donde el motor (40) se selecciona de un grupo que consiste en un motor de inducción y un motor magnético permanente.
  5. 5. El sistema según la reivindicación 1, en donde el procesador está configurado para controlar el conmutador (50) para abrirse cuando la energía recuperada del frenado regenerativo excede un nivel de potencia.
  6. 6. El sistema según la reivindicación 5, en donde el nivel de potencia se basa en un estado de carga actual del sistema (20) de almacenamiento de energía.
  7. 7. El sistema según la reivindicación 5, en donde el generador (15) es un amortiguador torsional en el motor durante el frenado regenerativo.
  8. 8. El sistema según la reivindicación 1, en donde el vehículo eléctrico híbrido es una aeronave.
  9. 9. El sistema según la reivindicación 1, en donde el vehículo eléctrico híbrido está configurado como un sistema eléctrico híbrido en serie.
  10. 10. El sistema de la reivindicación 4, en donde la salida del motor (40) que se puede producir a partir de la potencia disponible para el motor se basa en las condiciones de funcionamiento y las pérdidas actuales del motor, comprendiendo las condiciones de funcionamiento actuales una temperatura del motor y una velocidad del motor.
  11. 11. El sistema de la reivindicación 10, en donde la salida del motor que se puede producir a partir de la potencia disponible para el motor se basa además en el tipo de motor.
  12. 12. El sistema de la reivindicación 3, en donde el procesador está configurado para cerrar el conmutador (50), después de que se abra el conmutador, cuando la salida de propulsión requerida del motor correspondiente a la propulsión solicitada es igual a o menor que la potencia disponible para el motor basándose en un estado de carga del sistema (20) de almacenamiento de energía o cuando la salida del motor que se puede producir a partir de la potencia disponible para el motor basándose en el estado de carga del sistema de almacenamiento de energía es mayor o igual que la salida de propulsión requerida del motor correspondiente a la propulsión solicitada.
    Un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador que tiene instrucciones, que cuando son ejecutadas por un procesador en un sistema según la reivindicación 1, hacen que el procesador ejecute:
    determinar una potencia de salida requerida desde un motor (40) correspondiente a una propulsión solicitada para un vehículo, estando el motor acoplado a un inversor (30) de motor configurado para suministrar el motor con potencia de CA, donde el inversor de motor está acoplado a un enlace de CC;
    determinar la potencia de entrada disponible para el motor, la potencia de entrada disponible se basa al menos en un estado de carga de un sistema (20) de almacenamiento de energía, siendo el sistema de almacenamiento de energía acoplable selectivamente al enlace CC;
    comparar la potencia de entrada determinada con la potencia de salida determinada;
    cuando la potencia de entrada determinada es menor que la potencia de salida determinada requerida,
    controlar un conmutador (50) conectado entre el sistema de almacenamiento de energía y el enlace de CC para abrirse; y
    emitir un comando a un controlador (55) de motor para hacer que un motor (10), acoplable a un generador (15), para reforzar la salida del motor, donde el generador está acoplado a un inversor (25) de generador y el inversor de generador está acoplado al enlace de CC.
    Un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador que tiene instrucciones, que cuando son ejecutadas por un procesador en un sistema según la reivindicación 1, hacen que el procesador ejecute:
    determinar una potencia de salida requerida desde un motor (40) correspondiente a una propulsión solicitada para un vehículo, estando el motor acoplado a un inversor (30) de motor configurado para suministrar el motor con potencia de CA, donde el inversor de motor está acoplado a un enlace de CC;
    determinar una potencia de salida del motor que se puede producir a partir de una potencia disponible para el motor;
    comparar la potencia de salida determinada requerida con la potencia de salida determinada; cuando la potencia de salida determinada producible es menor que la potencia de salida requerida,
    controlar un conmutador (50) conectado entre un sistema (20) de almacenamiento de energía y el enlace de CC para abrirse; y
    emitir un comando a un controlador (55) de motor para hacer que un motor (10), acoplable a un generador (15), para reforzar la salida del motor, donde el generador está acoplado a un inversor (25) de generador y el inversor de generador está acoplado al enlace de CC.
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