IT202200000947A1 - Metodo e sistema per gestire una ricarica di batteria in un veicolo provvisto di un motore a combustione interna - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?METODO E SISTEMA PER GESTIRE UNA RICARICA DI BATTERIA IN UN VEICOLO PROVVISTO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA?

CAMPO TECNICO

L?invenzione riguarda un metodo e un sistema per gestire una ricarica di batteria in un veicolo provvisto di un motore a combustione interna. In particolare, la presente divulgazione si riferisce ad un veicolo da lavoro, ad esempio un veicolo agricolo, senza perdere la propria generalit? per via di questo specifico riferimento.

BACKGROUND DELL?INVENZIONE

I veicoli da lavoro, come i veicoli agricoli, sono normalmente provvisti di un motore a combustione interna, con almeno una batteria e con un alternatore, il quale ? azionato dal motore e ricarica la batteria. Pertanto, se la batteria non ? completamente carica, l?alternatore assorbe una certa quantit? di potenza dal motore per ricaricare la batteria, anche durante le comuni operazioni sui campi. Questo assorbimento influenza il consumo di carburante e riduce la coppia restante disponibile per le operazioni sul campo. In altre parole, la ricarica della batteria pu? influenzare le prestazioni del sistema in scenari in cui ? richiesta una coppia di alto livello.

Pertanto, ? preferibile adottare una strategia di controllo nella gestione di ricarica di batteria, introducendo un controllo in grado di cambiare il comportamento dell?alternatore in risposta alle condizioni operative effettive del motore, in modo da consentire una ricarica di batteria soltanto durante operazioni a basso carico.

In particolare, si sente la necessit? di risparmiare carburante e conseguire un consumo di carburante soddisfacente e di avere sempre una riserva disponibile di coppia in quegli scenari in cui pu? essere necessaria una coppia elevata.

FR2805681A1 insegna a prevedere un controllore che analizzi il funzionamento del motore e determini se ? in una fase di accelerazione; il controllore calcola l?efficienza del motore, monitora lo stato di carica della batteria e disattiva l?alternatore quando il motore sta accelerando, quando la carica di batteria ? buona e quando l?efficienza del motore supera una soglia impostata.

In particolare, se il consumo specifico del motore ? elevato e supera una soglia corrispondente, l?alternatore ? controllato in modalit? attiva e, pertanto, alimenta corrente: questa alimentazione determina un aumento della coppia assorbita a partire dal motore e pertanto un miglioramento di efficienza del motore. D?altro canto, se l?efficienza del motore supera una predeterminata soglia, ? possibile ottenere un guadagno di consumo di carburante utilizzando la batteria come una fonte di energia, e l?alternatore ? disattivato.

La soluzione proposta in questo tipo di tecnica anteriore deve essere migliorata, al fine di ottimizzare il consumo di carburante.

L?obiettivo della presente invenzione ? soddisfare le necessit? di cui sopra, preferibilmente in un modo semplice ed efficace dal punto di vista dei costi.

RIEPILOGO DELL?INVENZIONE

Secondo la presente invenzione, l?obiettivo di cui sopra ? conseguito tramite un metodo e un sistema secondo le rivendicazioni indipendenti allegate.

Le rivendicazioni dipendenti espongono le forme di realizzazione particolari dell?invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Per una migliore comprensione dell?invenzione, nei paragrafi che seguono vengono descritte forme di realizzazione preferite, a titolo di esempi non limitativi, in riferimento ai disegni allegati, in cui:

? la figura 1 ? un diagramma schematico che mostra un veicolo che implementa forme di realizzazione preferite del metodo secondo la presente invenzione; e

? la figura 2 ? un grafico che mostra una curva caratteristica coppia-velocit? di un motore a combustione interna del veicolo nella figura 1 e che indica possibili punti di funzionamento conseguiti secondo le forme di realizzazione del metodo della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

La figura 1 mostra un veicolo 1, che comprende un motore a combustione interna 2, almeno una batteria 3 e un generatore elettrico 4 azionato meccanicamente dal motore 2 e collegato elettricamente alla batteria 3 in modo tale da ricaricare la batteria 3. In particolare, il generatore 4 pu? essere definito da un alternatore o da un moto-generatore elettrico.

Il veicolo 1 comprende inoltre un?unit? di controllo elettronica 5, configurata da un software appropriato, memorizzato nella stessa unit? 5, al fine di gestire la ricarica della batteria 3 controllando il generatore 4. Secondo un aspetto della presente invenzione, l?unit? 5 ? configurata in modo tale da poter attivare e disattivare il generatore 4 (in modo da alimentare corrente alla batteria 3 o interrompere la ricarica) e in modo tale da poter regolare la potenza elettrica alimentata dal generatore 4, quando quest?ultimo ? attivo e pertanto regolare, di conseguenza, la coppia assorbita a partire dal motore 2.

Possibili tecniche da usare per controllare il generatore 4 e regolare la coppia assorbita a partire dal motore 2 sono comunemente note agli esperti in questo campo tecnico. Pertanto, non ? necessario che tali tecniche siano divulgate e spiegate in dettaglio.

L?unit? 5 controlla il generatore 4 in risposta a segnali che indicano valori di parametri variabili che identificano le condizioni effettive dei dispositivi del veicolo, in tempo reale, come forniti da appositi e noti sensori o controllori sul veicolo 1 (non mostrati nella figura 1). In particolare, l?unit? 5 riceve segnali che indicano, in tempo reale:

- lo stato di carica (SoC, State of Charge) della batteria 3;

- le condizioni di funzionamento (OC, Operating Conditions) del motore 2 (coppia, velocit? di rotazione, eccetera);

- la richiesta di coppia (TD, Torque Demand), richiesta al motore 2, in base ai comandi del guidatore, ad esempio in base a un comando su un acceleratore;

- parametri di batteria, quali potenza di ingresso/uscita, tensione/corrente di riferimento, caratteristiche di carica/scarica;

- caratteristiche di alternatore, come l?efficienza. Inoltre, l?unit? 5 ha una memoria, o comunica con una memoria, indicata dal numero di riferimento 6 nella figura 1, e memorizza dati predefiniti del motore 2 e della batteria 3. In maggiore dettaglio, la memoria 6 include i seguenti dati:

- una prima relazione (ad esempio una tabella, una curva, una funzione matematica, eccetera) che indica la curva caratteristica coppia-velocit? del motore 2 a pieno carico, ossia i valori di coppia massimi che possono essere alimentati dal motore 2 in funzione della velocit? di rotazione; in particolare, questa relazione ? mostrata come la curva C nella figura 2;

- una prima soglia (T1) che indica se lo stato di carica della batteria 3 ? basso;

- preferibilmente, una seconda soglia (T2), pi? alta della prima soglia T1 e che indica se lo stato di carica della batteria 3 ? alto;

- una seconda relazione (ad esempio una tabella, una curva, una funzione matematica, eccetera) che indica il valore di coppia migliore o ottimale, conseguendo i valori minimi di BSFC (Brake-Specific Fuel Consumption, consumo di carburante specifico) del motore 2, in funzione della velocit? di rotazione; questa relazione ? definita ?a priori? sulla base delle caratteristiche del motore, ad esempio sulla base di una mappatura di carburante di motore; in particolare, questa relazione ? mostrata sotto forma di curva B nella figura 2; i valori di coppia di questa relazione tendono a definire un punto di riferimento o setpoint, per ciascun valore di velocit? di motore, da usare nelle strategie di controllo per regolare il generatore 4 secondo la presente invenzione, come verr? spiegato nei paragrafi di seguito;

- preferibilmente, una terza relazione (ad esempio una tabella, una curva, una funzione matematica, eccetera) che indica un livello di coppia in grado di garantire una riserva predefinita di coppia prima di raggiungere la coppia massima della curva C, a ciascuna velocit? di rotazione; in particolare, questa relazione ? mostrata sotto forma di curva A nella figura 2: a titolo di esempio, la curva A ? calcolata sottraendo una data quantit? dalla curva C, tale quantit? essendo predefinita in base al veicolo considerato e alla sua applicazione (condizioni di lavoro reali); a titolo di esempio, questa quantit?, o differenza, pu? essere scelta affinch? sia uguale ad un valore tra il 10% e il 15% della coppia massima della curva C.

L?unit? 5 confronta lo stato di carica (SoC) effettivo della batteria 3 con la prima soglia (T1) citata sopra. Se l?SoC ? al di sotto della soglia T1, la batteria 3 viene sempre ricaricata, ossia il generatore 4 ? sempre attivo e azionato dal motore 2 in modo da generare la potenza elettrica massima, indipendentemente dalla richiesta di coppia TD e indipendentemente dalle condizioni di funzionamento OC del motore 2. A titolo di esempio, la batteria 3 ? ricaricata anche quando la richiesta di coppia TD ? al pieno carico della curva C. In altre parole, questa soglia T1 definisce il valore minimo ammissibile per l?SoC della batteria 3.

Quando l?SoC ? superiore a questo valore minimo, si esegue una strategia di controllo secondo la presente invenzione.

In particolare, questa strategia ? eseguita quando lo stato di carica effettivo della batteria 3 pu? essere definito come ?medio?, ossia ? tra le soglie T1 e T2 citate sopra.

Secondo questa strategia di controllo, l?unit? di controllo 5 determina un punto di funzionamento, identificato dal riferimento D nella figura 2, sulla base della richiesta di coppia TD impostata dal guidatore e/o sulla base delle condizioni di funzionamento del motore 2.

Il punto di funzionamento D pu? essere un punto di funzionamento effettivo o un punto di funzionamento futuro o previsto, stimato sulla base della richiesta di coppia e dei comandi che sono impostati dal guidatore.

Il punto di funzionamento D ? definito da una data velocit? di rotazione del motore 2 e da data una richiesta di coppia. Se il generatore 4 ? in stato attivo, una parte di questa richiesta di coppia ? definita dalla coppia prelevata dal generatore 4.

La velocit? di rotazione del punto di funzionamento D tende a ricadere in un intervallo di funzionamento in cui la curva B ? al di sotto della curva A.

In questo caso, l?unit? 5 esegue una verifica e confronta la richiesta di coppia del punto di funzionamento D richiesto, con la curva B, ossia con il valore di coppia migliore o ottimale che garantisce il consumo di carburante specifico minimo, alla velocit? di motore considerata.

Se la richiesta di coppia del punto di funzionamento D ? inferiore alla curva B, l?unit? 5 controlla il generatore 4 in modo da attivare quest?ultimo (se fosse spento) e caricare la batteria 3, e in modo da aumentare la potenza elettrica generata dal generatore 4, per raggiungere un punto di funzionamento diverso, avente una richiesta di coppia pi? elevata del punto di funzionamento D precedentemente definito.

Se il divario (gap) tra la curva B e la richiesta di coppia del punto di funzionamento D ? piuttosto consistente, il generatore 4 ? controllato in modo da fornire il suo massimo livello di potenza, in modo da raggiungere un punto di funzionamento D?, pi? vicino alla curva B, ma ancora inferiore.

Se il divario tra la curva B e la richiesta di coppia del punto di funzionamento D ? piuttosto basso, il generatore 4 ? controllato in modo da regolare la potenza generata e raggiungere un punto di funzionamento D?? avente una richiesta di coppia uguale al miglior valore di coppia definito dalla curva B.

In entrambi i casi, si consegue un consumo di carburante specifico pi? basso, in relazione al precedente punto di funzionamento D. In particolare, nel caso del punto D??, ? conseguito il consumo di carburante specifico minimo (ossia il miglior BSFC).

In modo analogo, se la richiesta di coppia del punto di funzionamento D ? superiore alla curva B, l?unit? 5 regola una diminuzione della potenza fornita dal generatore 4 e pertanto della coppia prelevata a partire dal motore 2 e disattiva il generatore 4 se necessario, al fine di raggiungere un punto di funzionamento D??? avente una richiesta di coppia minore, pi? vicina al corrispondente valore di coppia migliore sulla curva B. Anche in questo caso, la condizione migliore sarebbe il conseguimento di una richiesta di coppia perfettamente uguale a quella della curva B, in modo da conseguire il consumo di carburante specifico minimo (ossia il miglior BSFC).

In altre parole, l?unit? 5 riduce la potenza elettrica generata dal generatore 4 e pertanto la coppia prelevata a partire dal motore 2, fino ad un valore zero se necessario, in modo da essere, nel punto di funzionamento D???, il pi? vicino possibile al corrispondente miglior valore di coppia sulla curva B.

? possibile comprendere che lo scopo ? il raggiungimento di un punto di funzionamento (D?, D?? o D??? negli esempi mostrati nella figura 2) il pi? possibile vicino al miglior valore di coppia della curva B, e ottimizzare cos? l?efficienza del motore e la riduzione del consumo di carburante. In altre parole, l?unit? 5 regola la potenza elettrica del generatore 4 e pertanto la coppia prelevata a partire dal motore 2 (fino ad un livello massimo, o fino ad un livello zero, se necessario), in modo che sia il pi? possibile vicina alla curva B, il che pu? essere pertanto considerato come un setpoint della strategia di controllo del generatore 4.

In generale, in uno o pi? intervalli di funzionamento (ossia a certi valori della velocit? di motore), la curva B pu? essere pi? alta della curva A (come mostrato nella figura 2, nel lato sinistro del grafico, soltanto come esempio).

Se il punto di funzionamento (indicato con il riferimento E nella figura 2) ricade all?interno di questo intervallo di funzionamento, garantire un intervallo di coppia disponibile predefinito diventa predominante, rispetto all?ottimizzazione del consumo di carburante, nelle strategie che controllano il generatore 4, in caso di una richiesta di coppia.

In questo caso, secondo la forma di realizzazione preferita, il generatore 4 viene disattivato se la richiesta di coppia del punto di funzionamento E supera la coppia della curva A, in modo da raggiungere un nuovo punto di funzionamento che ? direttamente sotto la curva A. In altre parole, la curva A definisce una soglia che ? utilizzata per stabilire se la batteria 3 viene ricaricata o meno. Secondo questa forma di realizzazione, la generazione di potenza dal generatore 4 ? attivata e disattivata, senza una regolazione del livello di potenza.

Secondo una variante, in questo intervallo di funzionamento la curva A pu? essere utilizzata come un setpoint per regolare il livello di potenza generato dal generatore 4, proprio come divulgato sopra per la curva B, in modo da essere il pi? vicino possibile alla curva A. A titolo di esempio, l?unit? di controllo 5 pu? confrontare la richiesta di coppia del punto di funzionamento D con il valore minimo delle curve A e B, alla velocit? di rotazione considerata, in modo che questo valore minimo possa essere considerato come il setpoint per regolare la potenza del generatore 4.

Dovrebbe essere chiaro che, in questo intervallo di funzionamento, lo scopo ? garantire una riserva di coppia disponibile (definita dalla differenza di coppia tra le curve A e C), limitando la potenza generata dal generatore 4. Grazie a questa riserva di coppia disponibile, i rischi di compromettere la velocit? di rotazione del motore 2 sono ridotti, se sar? effettivamente richiesta nel prossimo futuro una coppia pi? elevata. In altre parole, disattivando il generatore 4, ? ancora possibile raggiungere la condizione di carico massimo della curva C, in caso di un ulteriore aumento di richiesta di coppia, senza alcuna variazione di velocit?. D?altro canto, tale variazione di velocit? avverrebbe se il generatore 4 fosse attivo (infatti, con un?ipotetica attivazione del generatore 4, il punto di funzionamento sarebbe in corrispondenza della curva C o vicino alla curva C, e un ulteriore aumento di coppia provocherebbe una variazione di velocit? lungo la curva C).

Nell?intervallo di funzionamento in cui la curva A ? sopra la curva B e la curva B ? utilizzata come setpoint per controllare il generatore 4, questa riserva di coppia disponibile ? garantita in ogni caso.

In questo modo, ? sempre garantita una riserva di coppia minima (disponibile per un possibile futuro aumento della richiesta di potenza), sebbene sia conseguito il miglior BSFC ogni volta che ? possibile, durante il controllo della potenza del generatore 4.

Opportunamente, strategie di controllo aggiuntive possono essere implementate per condizioni di funzionamento specifiche, quando l?SoC ? ?medio?, ad esempio:

- durante le fasi di funzionamento al minimo del motore 2, il generatore 4 ? controllato dall?unit? 5 in modo da ricaricare sempre la batteria 3, alla potenza massima; - durante le fasi di decelerazione, ? implementata una strategia di frenata rigenerativa (non descritta in dettaglio).

Opportunamente, queste strategie di controllo aggiuntive sono implementate anche quando l?SoC pu? essere considerato ?alto?, ossia pi? alto della soglia T2.

Se una richiesta di coppia si verifica quando l?SoC ? ?alto?, la strategia di controllo basata sul miglior BSFC ? la stessa descritta sopra.

La differenza ? soltanto che la strategia di controllo a SoC medio e la strategia di controllo a SoC alto sono preferibilmente applicate in condizioni di motore diverse, ad esempio ad intervalli diversi di velocit? di rotazione.

Alla luce delle caratteristiche di cui sopra, dovrebbe essere chiaro che le strategie di controllo implementate nell?unit? 4 per gestire la ricarica di batteria sono orientate al BSFC, poich? consentono un?ottimizzazione del consumo di carburante, almeno in un intervallo di funzionamento predefinito del motore 2 (ossia l?intervallo di funzionamento in cui la curva A ? sopra la curva B).

Grazie alla presente invenzione, pertanto, ? possibile conseguire un risparmio di carburante migliorato ed un?efficienza complessiva migliore rispetto alla tecnica anteriore, quando la batteria viene ricaricata.

Al contempo, il generatore 4 ? controllato in modo da lasciare una riserva di coppia predefinita, disponibile per un possibile ulteriore aumento della richiesta di coppia, senza compromettere la velocit? del motore. In particolare, un incremento di coppia ? disponibile durante operazioni difficili dei veicoli agricoli sui campi.

? chiaro che possono essere apportate modifiche al veicolo 1 descritto senza allontanarsi dall?ambito di protezione come definito dalle rivendicazioni.

Ad esempio, il setpoint per regolare la potenza del generatore 4, corrispondente al miglior BSFC, pu? essere definito da un intervallo di coppia relativamente piccolo per ciascun valore di velocit? di motore invece di essere definito da un singolo valore di coppia (come nell?esempio della curva B).

Claims (12)

RIVENDICAZIONI

1. Sistema per gestire una ricarica di batteria in un veicolo, il sistema comprendendo

- un motore a combustione interna (2);

- una batteria (3);

- un generatore elettrico (4) azionato dal motore (2) e collegato elettricamente alla batteria (3) in modo da ricaricare la batteria (3);

- un?unit? di controllo (5) configurata per controllare il generatore (4) e gestire la ricarica di batteria;

caratterizzato dal fatto che l?unit? di controllo (5) ? configurata per regolare la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) in modo tale che il motore (2) funzioni con una richiesta di coppia il pi? vicino possibile ad un setpoint di coppia (B), che corrisponde ad un consumo di carburante specifico minimo del motore (2).

2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui l?unit? di controllo (5) ? configurata per regolare la coppia assorbita dal generatore (4) soltanto in un dato intervallo di funzionamento del motore (2).

3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui, in detto intervallo di funzionamento del motore (2), il setpoint di coppia (B) ? inferiore a una soglia di coppia predefinita (A) e la soglia di coppia (A) ? inferiore a una coppia massima (C) del motore (2).

4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui, in un ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2), il setpoint di coppia (B) ? superiore alla soglia di coppia (A); e in cui, nell?ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2), l?unit? di controllo (5) ? configurata per limitare la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) se la richiesta di coppia ? superiore alla soglia di coppia (A).

5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui, in un ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2), l?unit? di controllo (5) ? configurata per interrompere la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) se la richiesta di coppia ? superiore alla soglia di coppia (A).

6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?unit? di controllo (5) ? configurata per regolare la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) se la batteria (3) ha uno stato di carica (SoC) superiore ad una soglia di carica (T1); se lo stato di carica (SoC) ? inferiore a detta soglia di carica (T1), il generatore (4) alimenta potenza alla batteria (3) indipendentemente dalla richiesta di potenza.

7. Metodo per gestire una ricarica di batteria in un veicolo comprendente un sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, il metodo comprendendo le seguenti fasi:

- prevedere un setpoint di coppia (B), che corrisponde ad un consumo di carburante specifico minimo del motore (2); - determinare un punto di funzionamento (D) del motore (2), il punto di funzionamento (D) essendo definito da una richiesta di coppia e da una velocit? di rotazione;

- confrontare la richiesta di coppia con il setpoint di coppia;

- regolare la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) in modo tale che la richiesta di coppia sia il pi? vicino possibile al setpoint di coppia (B).

8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui la fase di regolazione ? eseguita soltanto in un dato intervallo di funzionamento del motore (2).

9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui, in detto intervallo di funzionamento del motore (2), il setpoint di coppia (B) ? inferiore a una soglia di coppia predefinita (A), e la soglia di coppia (A) ? inferiore a una coppia massima (C) del motore (2).

10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui, in un ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2), il setpoint di coppia (B) ? superiore alla soglia di coppia (A); e in cui il metodo comprende la seguente fase, eseguita nell?ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2): - limitare la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) se la richiesta di coppia ? superiore alla soglia di coppia (A).

11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui il metodo comprende la seguente fase, eseguita nell?ulteriore intervallo di funzionamento del motore (2):

- interrompere la potenza alimentata dal generatore (4) alla batteria (3) se la richiesta di coppia ? superiore alla soglia di coppia (A).

12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 11, in cui la fase di regolazione ? eseguita soltanto se la batteria (3) ha uno stato di carica (SoC) superiore a una soglia di carica (T1); se lo stato di carica (SoC) ? inferiore a detta soglia di carica (T1), la batteria (3) ? ricaricata indipendentemente dalla richiesta di potenza.