MX2012008536A

MX2012008536A - Sistemas de propulsion hibridos en serie de alimentacion por hidrocarburo - electricos.

Info

Publication number: MX2012008536A
Application number: MX2012008536A
Authority: MX
Inventors: Jay J Bowman
Original assignee: Epower Engine Systems L L C
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-11-06
Also published as: CN102781713A; HK1178853A1; CA2787764A1; CA2787764C; WO2011091254A2; US20110174561A1; EP2547545B1; WO2011091254A3; US8783396B2; CN102781713B; EP2547545A2

Abstract

La invención es concerniente con un sistema de propulsión híbrido (8) para la propulsión de vehículos (V) tales como camiones de semi-remolque de la clase 8 DOT (departamento de transporte) en condiciones de carga normales y a altas velocidades en autopista. El sistema comprende un motor de combustión, interna (14), un alternador de CA (20) alimentado por el motor (14), paquetes de batería de CD (26, 28), un controlador de CA/CD (22) y un motor eléctrico de corriente alterna (32) que impulsa la cadena cinemática (33) del vehículo (V). El alternador de CA (20) y los paquetes de batería de CD (26, 28) proveen entrada al controlador de CA/CD (22) que a su vez convierte la entrada de corriente directa (CD) de los paquetes de batería de corriente directa (26, 28) vía un circuito de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA), de tal manera que la salida del controlador de CA/CD (22) al motor eléctrico (32) es corriente alterna para la propulsión del vehículo (V). Los paquetes de batería de corriente directa (26, 28) pueden comprender celdas de plomo-ácido inundadas inundadas, de placa delgada y pueden ser conectados en serie, en paralelo o una combinación de los mismos. Los vehículos (V) pueden ser actualizados retroactivamente para incorporar el sistema de propulsión (8).

Description

SISTEMAS DE PROPULSION HIBRIDOS EN SERIE DE ALIMENTACION POR HIDROCARBURO - ELECTRICOS CAMPO DE LA INVENCIÓN . La presente invención es concerniente con sistemas de propulsión híbridos de la serie de combustible de hidrocarburos-eléctricos para impulsar vehículos más en particular concernientes con tales sistemas de propulsión para energizar vehículos pesados tales como camiones semi-tractor de la clase 8 DOT bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un vehículo eléctrico híbrido (HEV) es un vehículo que es energizado por un motor eléctrico y un motor de combustión interna (CI), incluyendo motores a diesel y motores con combustible de hidrocarburo o motores de combustible fósil. En un sistema de propulsión híbrido de la serie diesel-eléctrico, el motor a diesel no está enlazado directamente a la transmisión para la energía de accionamiento mecánico. Más bien, la energía producida del motor de CI es convertida a energía eléctrica por un generador que recarga una batería con el fin de proveer energía a uno o más motores eléctricos. El sistema de motor eléctrico provee momento de torsión para hacer girar la rueda del vehículo. Debido a que el motor de CI no está conectado directamente a la rueda, el motor de CI puede operar a ' una velocidad óptima y puede ser apagado automática o manualmente para una operación de cero emisiones completamente eléctrica temporal del vehículo. Los sistemas de propulsión híbridos de la serie diesel-eléctricos convencionales son tradicionalmente apropiados para vehículos de conmutación de peso ligera y autobuses de transito de parada y avance.

Actualmente, no hay vehículos de transportación todo terreno clase 8 DOT tales como camiones de semi-tractor que utilicen un sistema de propulsión híbrido de la serie diesel-eléctrico como una fuente de energía a condiciones de carga (peso normal) que sean aptos de mantener velocidades de autopista por un periodo de tiempo extenso. Esto es debido en parte a los requerimientos de energía de la industria de transportación y en parte a la tecnología de baterías del día actual que no satisfacen las demandas de los vehículos clase 8 DOT. Actualmente, la industria de transportación depende de sistemas de tren impulsor de motor de CI como los sistemas de propulsión para vehículos clase 8 DOT en vista de la continuidad y ventaja del costo de operación de tales vehículos con sistemas de tren impulsor de motor de CI .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los trenes impulsores de motor de CI de vehículos clase 8 DOT convencionales no son muy eficientes en su uso de combustibles fósiles para producir energía mecánica, por ejemplo la eficiencia es de 38 por ciento o menos. Un vehículo clase 8 DOT convencional promedia 2.3 Km/litro (5.5 millas por galón) de combustible diesel bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista.

En contraste, la mayoría de dispositivos eléctricos disponibles actualmente tienen un intervalo de eficiencia relativamente alta en su conversión de energía eléctrica a energía mecánica, por ejemplo de 92 a 97 por ciento. Al remover el motor impulsor del motor de CI en un vehículo impulsado por motor y usar una fuente de energía externa para suministrar energía a un motor impulsor eléctrico, se pueden obtener mayores eficiencias de combustible de un combustible fósil dado. La operación de la fuente de energía a una curva de energía y ajuste de rpm óptimos mientras que produce una corriente eléctrica a ser usada por el motor impulsor y controlar la corriente por medio de un controlador de motor impulsado por computadora, pueden dar como resultado eficiencias óptimas en comparación con los trenes impulsores de motor de CI típicos.

Por consiguiente, hay necesidad de proveer un sistema que opere la fuente de energía a la curva de energía y ajuste de rpm óptimos, mientras que produce una corriente eléctrica a ser usada por el motor impulsor y controlar esta corriente por medio de un controlador del motor impulsado por computadora con el fin de obtener eficiencias óptimas en comparación con el tren impulsor de motor de CI típico.

Los diseños de hoy en día de los vehículos híbridos de la serie diesel-eléctricos usan en general paquetes de batería como, una fuente de energía principal al motor impulsor. Sin embargo, la tecnología de baterías del día presente es comúnmente el aspecto de diseño limitante de los sistemas de propulsión híbridos de la serie diesel-eléctricos. Con el fin de superar estas limitaciones, materiales de batería exóticos son en general usados en estos sistemas de propulsión eléctricos. Ejemplos de materiales de batería exóticos incluyen oxido de litio cobalto, litio manganeso, níquel cadmio y níquel-cobalto manganeso. Un paquete de batería que está diseñado con estos materiales exóticos da como resultado ciclos de descarga de batería profundos para el sistema de propulsión. Los paquetes de batería diseñados con estos materiales exóticos han sido usados como la fuente de energía principal para un vehículo eléctrico o la energía es dirigida por medio de paquetes de batería en su camino al motor impulsor eléctrico. El uso de las baterías de esta manera requiere una capacidad de ciclo de descarga profundo de las celdas de batería individuales para energizar el vehículo a velocidades e intervalos normales. Esto coloca grandes demandas en las celdas de batería que requieren más y más materiales exóticos con el fin de incrementar el desempeño de la batería. Estos materiales exóticos, en tanto que proveen algunos beneficios al sistema de propulsión eléctrico, son caros y se suman a la complejidad del sistema de manejo de baterías.

A la fecha, los sistemas de propulsión híbridos de diesel-eléctricos convencionales han estado limitados a velocidades de alrededor de 56 kilómetros por hora (35 millas por hora) de operación en el modo eléctrico. Comúnmente, el motor a diesel permanece conectado al sistema impulsor y energiza el vehículo a velocidades mayores de 56 Km/h (35 mph) mientras que el motor eléctrico corta el tren impulsor a velocidades mayores de 56 Km/h (35 mph) y puede solamente contribuir a una cantidad marginal de energía cuando el vehículo se pone en operación por encima de 56 Km/h (35 mph) . Este tipo de diseño híbrido coloca carga extra sobre el tren impulsor puesto que el motor eléctrico se sigue haciendo girar a un cuando no es usado para energizar el vehículo.

Hay necesidad de proveer sistemas .de propulsión híbridos de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctricos para vehículos clase 8 DOT tales como camiones de todo terreno que operan a mayores eficiencias en comparación con los tipos de vehículos convencionales. La presente invención puede proveer un vehículo energizado con motor de CI que da como resultado una disminución del 50 por ciento o a un 65 por ciento o mayor el uso de combustible en comparación con los vehículos de clase 8 DOT energizados por motor de CI convencionales.

Los vehículos clase 8 DOT convencionales son en general energizados por un motor de CI con momentos de torsión y velocidad controlados por medio del uso de una transmisión manual automática y la proporción de engranajes de un diferencial del tren impulsor. Tales sistemas convencionales son en general complejos y propensos al desgaste y ruptura debido a las demandas del ciclo impulsor de mantener una velocidad dada en tanto que transportan cargas de diferentes configuraciones y pesos. Cuando un conductor de un vehículo de remolque pesado esta maniobrando el terreno montañosos o de colinas, la necesidad constante de cambiar los engranajes en sistemas de tren impulsor de CI es una fuente mayor de fatiga del conductor.

Por consiguiente, hay necesidad de proveer sistemas de propulsión híbridos de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctricos que mantengan un momento de torsión y velocidad constantes al diferencial que imite una transmisión automática sin las perdidas d energía mecánica asociadas a tales transmisiones y las pérdidas de transferencia de potencia de fluido asociadas y sin provocar fatiga del conductor.

Los vehículos clase 8 DOT convencionales usan convencionalmente lo que es denominado como un "freno del gato" para frenar los vehículos pesados sin el uso de un sistema de frenos de aire o para ayudar al sistema de frenos de aire a frenar o detener el vehículo. Este es un elemento de seguridad principal y es estándar en la mayoría de los vehículos de remolque pesados. El frenado o parar el vehículo se lleva a cabo al usar la contrapresión del motor de CI . En tanto que efectúa esta función bien, la operación del freno de gato es muy ruidosa. Muchas ciudades han prohibido o están en proceso de prohibir vehículos que usen frenos de gato y han promulgado ordenanzas de ruido impidiendo mediante esto el uso de freno de gato en los vehículos.

Por consiguiente, hay necesidad adicional de proveer un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctrico que elimine el freno de gato y lleve a cabo el mismo frenado de un vehículo como el freno de gato pero electrónicamente con muy poco ruido o sin ruido.

La presente invención ha satisfecho las necesidades indicadas anteriormente. Se provee un sistema de propulsión híbrido de combustible de hidrocarburo-eléctrico para energizar vehículos, tales como camiones clase 8 DOT incluyendo camiones de semi-tractor bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista mayores de 56 Km/h (35 mph) . En una modalidad de la invención, el sistema comprende un motor de combustión interna de combustible de hidrocarburos (CI) un generador de CA energizado por el motor de CI, uno o más paquetes de batería de CD, un controlador de CA/CD y un motor impulsor eléctrico de CA. En una modalidad de la invención, el generador de CA impulsado por el motor de CI provee una entrada de CA al controlador de CA/CD. Los paquetes de batería de CD proveen la entrada de CD de refuerzo al controlador de CA/CD cuando se requiere. El controlador de CA/CD convierte la entrada de CD de los paquetes de batería CD vía un circuito de CD a CA de tal manera que la salida combinada del controlador de CA/CD al motor impulsor eléctrico es de CA. El motor impulsor eléctrico de CA puede ser conectado mecánicamente de manera directa a los diferenciales de las ruedas sin el uso de una transmisión para energizar las ruedas.

Una modalidad de la presente invención usa efectivamente un generador de CA subdimensionado para proveer corriente al motor impulsor eléctrico de CA. Los paquetes de CD retienen alrededor de una carga del 80 por ciento, permitiendo la generación eléctrica del motor impulsor de CA cuando se frena o se estaciona. Esto suministra a las baterías de CD con energía controlada, regenerativa que a su vez provee energía adicional al controlador de CA/CD cuando se requiera por el motor de CA para generación y diferentes condiciones de carga .

En una modalidad de la invención, cuando los frenos son aplicados o en una situación de cabotaje, el motor impulsor de CA en conjunción con el controlador de CA/CD produce una corriente de CD mientras que provee frenado regenerativo. Una porción de esta energía usada para mantener los paquetes de batería de CD a un nivel de carga de aproximadamente 80 por ciento y el resto o la corriente de CD disponible en exceso puede ser enviada a varios sistemas eléctricos tal como un generador de hidrogeno, un sistema de carga de acumulador hidrodinámico u otros dispositivos útiles. En el caso de un generador de hidrogeno, se usa la electrólisis de agua para producir gas de hidrogeno que puede luego ser inyectado al motor de combustible de hidrocarburo para crear energía adicional al generador de CA que a su vez, provee una corriente de CA al motor de accionamiento eléctrico. La combinación de gas hidrogeno como mezcla de combustible en el motor con combustible de hidrocarburo mejora el desempeño de kilometraje del combustible de hidrocarburo y reduce las emisiones de partículas.

La plataforma de generación eléctrica de la presente invención provee una amplia corriente de CD para producir cantidades utilizables de hidrogeno para inyección al sistema de inyección de combustible de hidrocarburo. Cuando se agregó hidrogeno a una mezcla de combustible en un motor de combustible de hidrocarburo de rpm constante, las cuestiones de tempori zación de ignición de combustible son manejadas fácilmente. Esto puede dar como resultado tanto como un incremento de 30 o 40 por ciento en kilometraje de combustible con un motor de quemado más limpio y sin las cuestiones de sincronización relacionadas con un motor de CI que opera a modificaciones de rpm variable e intervalos de momento de torsión.

Un aspecto de la presente invención es proveer un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo que comprende un motor de combustible de hidrocarburo, un generador de CA energizado por el motor de combustible de hidrocarburo, por lo menos una batería de CD, un controlador de CA/CD y un motor eléctrico de CA conectado de manera impulsada al tren de potencia del vehículo, en donde el generador de CA y la por lo menos una batería, de CD proveen entrada al controlador de CA/CD y el controlador de CA/CD convierte la entrada de CD de por lo menos una batería de CD a CA y emite CA al motor eléctrico de CA para impulsar el tren impulsor del vehículo.

Otro aspecto de la presente invención es proveer un vehículo clase 8 DOT que tiene un sistema de propulsión híbrido que comprende un motor de combustible de hidrocarburo, un generador de CA energizado por motor de combustible de hidrocarburo, por lo menos una batería de CD, un controlador de CA/CD conectado al generador de CA y por lo menos una batería de CD y un motor eléctrico de CA conectado al controlador de CA/CD y el acoplamiento impulsor con el tren impulsor del vehículo, en donde el vehículo clase 8 DOT es capaz de correr una velocidad de 80 Km/h (50 mph) por al menos 5 horas.

Un aspecto adicional de la presente invención es proveer un arreglo de batería para un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista que comprenden por lo menos una batería y medios para controlar la temperatura de por lo menos una batería.

Otro aspecto de la presente invención es proveer un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo que comprende una plataforma de generación de energía construida y dispuesta para producir cantidades utilizables de gas hidrogeno para uso como complemento de combustible por un motor de combustible de hidrocarburo en el sistema de propulsión híbrido.

Estos y otros aspectos de la presente invención se harán más evidentes a partir de la siguiente descripción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una vista superior parcialmente esquemática de un vehículo que incluye un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 2 es un diagrama de flujo que ilustra un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctrico y las varias conexiones eléctricas de los varios componentes del sistema de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 3 es un diagrama parcialmente esquemático de un paquete de batería usado en un sistema de propulsión híbrido de la serie combustible de hidrocarburo-eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 4 es un diagrama de un arreglo de paquete de cuatro baterías que contiene baterías A, B, C y D y un sistema de control de carga pulsada de CD, usado en un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 5 es una vista lateral parcialmente esquemática de un vehículo que incluye un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible hidrocarburo-eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención .

La Figura 6 y 7 ilustran un gabinete de electrónicos que aloja ciertos componentes de un sistema de propulsión híbrido en serie de acuerdo con una modalidad de la presente invención .

La Figura 8 ilustra una unidad de control de energía de CD de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 9 ilustra un método de control de temperatura de batería de acuerdo con una modalidad de la presente invención .

La Figura 10 ilustra una salida limitante de corriente ajustable de un generador de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 11 ilustra una salida limitante de corriente ajustable de un generador de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 12 ilustra un interruptor de fallas de conexión a tierra y un dispositivo de fuga de voltaje de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La Figura 13 ilustra un generador de imán permanente de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La Figura 1 ilustra un arreglo de los componentes de un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible hidrocarburo-eléctrico 8 en un vehículo V de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La Figura 2 ilustra varios componentes del sistema 8 y sus conexiones eléctricas. Como se muestra en las Figuras 1 y 2, el sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible hidrocarburo-eléctrico 8 comprende un motor de combustible de hidrocarburo 14, que es un motor de combustión interna (CI) ; tanques de combustible de hidrocarburo 16 y 18 para recibir combustible de hidrocarburo que es alimentado al motor 14; un generador de CA 20 conectado mecánicamente al motor 14 via un árbol, que puede ser conectado mecánicamente en la fábrica y vendido como una unidad denominada como "gen-set"; un controlador de CA/CD 22 que es conectado eléctricamente al generador de CA 20 via un cableado de alto voltaje; un revelador de control de CD 10; un revelador de control de CA 12; un generador de hidrogeno opcional 13; paquete de batería de CD 26 Y 28; una interfase de controlador de CPU 29 (Figura 2) localizada en la cabina del vehículo V; un control de computadora de carga pulsada de CD 30 montado en cualquier sitio apropiado en el vehículo V; un motor impulsor eléctrico de CA 32, que en algunas modalidades puede ser un motor de trabajo o de uso pesado de inversor y que es conectado mecánicamente vía un árbol 33 directamente al diferencial posterior 34 que a su vez hace girar la ruedas 36, 38, 40 y 42. Opcionalmente, el sistema puede hacer uso ya sea de una transmisión automática o manual (no mostrada) entre el motor impulsor eléctrico de CA 32 y el diferencial 34. Opcionalmente, el sistema puede incluir bancos de capacitores 44 y 46 si se requiere; un sistema de circulación de electrolito 48 y/o un sistema de frenos de aire 50. El combustible de hidrocarburo para el motor 14 puede incluir gasolina, diesel, etanol, propano, gas natural, combustible sintético de hidrogeno y los semejantes.

Como se usa en la presente, el término "vehículo clase 8 DOT clasificado" significa cualquier vehículo que tiene una clasificación del peso de vehículo grueso (GV R) mayor de 14,969 kg (33,000 libras) de acuerdo con el Departamento de Transportación de los Estados Unidos de América (DOT) clasificaciones de peso de vehículo grueso o estándar de GVWR. Como se usa en la presente, el término "generador de CA" incluye generadores y alternadores de CA que convierten energía mecánica a electricidad mediante bobinas de alambre giratorias en campos magnéticos fuertes e inducen potencial eléctrico en las bobinas.

El diagrama de flujo de la Figura 2 ilustra las funciones del sistema 8. Las dobles fechas de la Figura 2 muestran energía eléctrica o corriente que viaja en ambas direcciones. Cada función puede suceder conjuntamente o de manera independiente entre sí dependiendo de los requerimientos de motor impulsor eléctrico como entrada del conductor. Como se muestra en la Figura 2, la corriente de CA fluye del generador de CA 20 al controlador del motor de CA/CD 22. La corriente de CA es luego encausada del controlador del motor de CA/CD 22 al relevador de control de CA 12 y luego al motor impulsor eléctrico de CA 32 para energizar el vehículo V. La corriente de CD del controlador del motor de CA/CD 22 avanza al controlador de computadora pulsada CD 30 y luego es encauzada ya sea a los paquetes de batería de CD 26 y 28 para la carga de las mismas o al generador de hidrogeno opcional 13 u otros sistemas de CD o a los bancos de capacitores 44 y 46 o de regreso al controlador del motor de CA/CD 22, como es dirigido por el controlador del sistema de CPU 29 para el sistema 8. Se pueden usar desconexiones de batería de CD 19 para interrumpir la corriente entre los paquetes de batería 26 y 28 y el controlador de computadora de carga pulsada de CD 30. El controlador de CPU 29 se puede interconectar con el conjunto de chips estándar del vehículo, tales como un conjunto de chips J1939 que a su vez se interconecta con los sistemas del vehículo existentes.

El revelador de control de CA 12 controla la energía de CA del controlador del motor de CA 22 al motor impulsor eléctrico de trabajo pesado del inversor de CA 32. El revelador de control de CD 10 controla la corriente de salida de CD del controlador de motor de CA 22 a los paquetes de batería de CD 26 y 28 y al generador de hidrogeno 13 durante el proceso de frenado regenerativo . Como se muestra en la Figura 2, el revelador de control de CD 10 también controla la entrada de corriente de CD al controlador del motor de CA 22, que provee corriente adicional al controlador de CA/CD 22 para aceleración y grados de ascenso del vehículo V. En algunas modalidades, el controlador de CA/CD 22 puede ser un controlador de motor de vector de CA industrial que es apto tanto de entrada de potencia de energía de CA como CD que emite una energía de CA sincronizada para controlar el motor de accionamiento eléctrico de CA 32.

El motor impulsor eléctrico de CA 32, el controlador de CA/CD 22 y el generador de CA 20 son preferiblemente dimensionados para obtener las condiciones de velocidad de carga deseadas tomando en cuenta la masa del vehículo, la eficiencia del tren impulsor, el coeficiente de resistencia de los neumáticas de rodamiento del vehículo, el coeficiente de arrastre global, el radio de las ruedas, la resistencia del frenado y dirección y la proporción de engranaje' final del vehículo. En general, esta es una evaluación matemática de los parámetros de operación del vehículo, que se pueden hacer sistemáticamente por aquellos experimentados en el arte en la etapa de diseño del proceso de conversión del vehículo. Esto se hace para obtener la operación más económica del vehículo y para reducir emisiones de vehículo en tanto que se permite la operación normal del vehículo.

La eficiencia del tren impulsor de la Figura 1 es obtenida al poner en operación el motor de CI 14, energizado por el combustible de hidrocarburo al cual gas hidrogeno se puede inyectar opcionalmente para energizar el generador de CA 20 a un intervalo de rpm eficiente de combustible constante en contraposición al intervalo de rpm variable de acuerdo con los trenes impulsores impulsados por motor de CI convencionales. En ciertas modalidades, el intervalo de rpm del motor de CI 14 se puede hacer variar., por ejemplo cuando el vehículo llega a una parada temporal en el tráfico. En ese caso, la alimentación de combustible al motor 14 puede ser regulada temporalmente, por ejemplo 15 a 30 segundos, mientras que el vehículo está detenido con el fin de reducir el consumo de combustible y es luego incrementada cuando el vehículo se comienza a mover otra vez. Los paquetes de batería 26 y 28 suministran corriente de refuerzo de CD que complementa la salida producida por el generador de CA 20 disponible al motor impulsor eléctrico de CA 32, dando como resultado un tren impulsor más eficiente.

El sistema de propulsión 8 de la presente invención suministra energía de refuerzo para acelerar el vehículo V al proveer paquetes de batería de CD 26 y 28 que están configuradas y controladas para trabajar con el controlador de CA/CD 22 vía el control de computadora de carga pulsada de CD 30. Cuando se dimensionan los componentes del sistema de propulsión 8 para cumplir con una configuración de velocidad y carga deseada, corriente adicional debe estar disponible al controlador de CA/CD 22 para acelerar el vehículo V a una velocidad deseada de manera oportuna y normal. Con el fin de complementar este requerimiento de energía del controlador de CA/CD 22, los paquetes de batería de CD 26 y 28, que pueden ser controladas por computadora por el controlador de CPU de computadora principal 29 (Figura 2), son usadas como el sistema de refuerzo. Los paquetes de batería de CD 26 y 28 pueden estar cableadas en serie, en paralelo o en una combinación y pueden ser aptas de ser cambiadas de una configuración en serie a paralelo de paquete a paquete. Los paquetes de batería de CD 26 y 28 pueden ser usados en conjunción con los bancos de capacitores 44 y 46 si es necesario. Los bancos de capacitores 44 y 46 pueden ser cambiados al mismo voltaje como los paquetes de batería de CD 26 y 28 con el fin de utilizar la energía adicional requerida al controlador de CA/CD 22, que a su vez provee energía adicional al motor impulsor eléctrico de CA 32 para energizar las ruedas 36, 38, 40 y 42 del vehículo V.

En algunas modalidades, el controlador de CA/CD 22 se puede poner en operación en modo de vector para controlar el motor impulsor eléctrico de trabajo de inversor 32 que permite que un pleno momento de torsión de diseño del motor sea producido en todo el intervalo de rpm del motor de cero a la velocidad base del motor eléctrico de trabajo pesado del inversor 32. Esto elimina la necesidad de una transmisión en algunas modalidades de la invención, permitiendo mediante esto un acoplamiento directo del motor impulsor eléctrico 32 al diferencial posterior 34 como se muestra en las Figuras 1 y 2. El controlador de CA/CD 22 ajusta electrónicamente a un programa de computadora en el controlador de CPU 29 la cantidad de momento de torsión y corriente que están disponibles al motor impulsor eléctrico de CA 32, eliminando mediante esto la necesidad de una transmisión y las perdidas mecánicas asociadas con una transmisión y las pérdidas de transferencia de fluido para incrementar la eficiencia del tren impulsor.

Los paquetes de batería de CD 26 y 28 pueden comprender celdas de plomo-ácido de placa delgada que son conectadas en serie para obtener el alto voltaje requerido para satisfacer los requerimientos de energía del controlador de CA/CD 22. La Figura 3 ilustra la construcción de un paquete de batería de CD 28. El paquete de batería de CD 26 puede ser de construcción similar. El paquete de batería de CD 28 comprende un recipiente externo rígido sellado o caja 52 que puede ser fabricada de aluminio. Dentro del recipiente 52 se encuentra un recipiente interno resistente al ácido o revestimiento 54 que puede ser fabricado de un material apropiado, tal como polipropileno. El paquete de batería 28 incluye varias celdas de batería 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y 68, que son conectadas en serie vía cables de potencia 70 y 72. El cable 70 es una conexión positiva y el cable 72 es una conexión negativa. Cada celda de batería 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y 68 es una celda de plomo-ácido inundada de plata delgada. En algunas modalidades, las placas delgadas de las celdas de plomo-ácido pueden medir de alrededor de 0.5 a alrededor de 2 mm, por ejemplo de alrededor de 1 a alrededor de 1.2 mm, en contraposición a las celdas de plomo-ácido inundadas de placas gruesas convencionales que en general miden alrededor de 2.8 mm a alrededor de 6 mm. Varios orificios de ventilación 74, 76 y 78 son provistos a lo largo de los lados del recipiente externo 52. El fondo del recipiente externo 52 es preferiblemente llenado con un material absorbente de ácido, por ejemplo vermiculita y la parte superior del recipiente externo 52 es llenada con un material absorbente de impacto, por ejemplo espuma. Una entrada 48a y una salida 48b son provistas para circulación del electrolito de un sistema de circulación electrolito 48 (Figura 2) dentro del paquete de batería 28. Una conexión de ventilación de aire forzado es indicada con el número de referencia 80.

El sistema utiliza los paquetes de batería de CD 26 y 28 para tomar ventaja del bajo costo de la tecnología de celdas de plomo-ácido inundadas en tanto que proveen velocidades de descarga y carga rápidas. De acuerdo con una modalidad de la invención, los paquetes de batería 26 y 28 pueden tener los niveles de carga controlados electrónicamente para estar dentro de alrededor de 20 por ciento de su estado de carga mantenido . obj etivo . Este provee velocidad de recarga rápida de las celdas en tanto que provee capacidad de almacenamiento eléctrico para la corriente de frenado regenerativo . El controlador de CPU de computador a integrado 29 puede proveer un sistema de carga de impulso rápido para los paquetes de batería de CD 26 y 28, manteniendo mediante esto la corriente de CD disponible máxima que es extraída de los paquetes de batería de CD 26 y 28 durante la aceleración y ascenso de colinas o requerimientos de alta potencia.

Como se muestra en la modalidad de la Figura 4, múltiples paquetes de batería A, B, C y D similares a los paquetes de batería 26 y 28 pueden ser conectados a un control por computadora de carga pulsada de CD 30 para actuar en serie o en paralelo dependiendo de los requerimientos de energía del controlador de CA/CD 22 para controlar el motor de trabajo de inversor de CA 32. Esto permite un uso más eficiente de la energía eléctrica que está disponible al motor impulsor eléctrico de trabajo del inversor 32. Vía el controlador de computadora de sistema de CPU principal 29, los paquetes de batería de CD individuales 26 y 28 son conectados al sistema de bombeo de electrolito 48 que caliente y enfría el electrolito para mantener el intervalo de temperatura óptimo del electrolito que circula a través de la celda 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y 68 de los paquetes de batería 26, 28 (Figuras 2 y 3) . El sistema de bombeo de electrolito 48 puede incluir una bomba estándar bien conocida para aquellos experimentados en el arte.

Refiriéndose otra vez a las Figuras 1 y 2, durante el ciclo de carga de los paquetes de batería de plomo-ácido inundadas de placas delgada 26 y 28, el factor principal para limitar la intensidad de la corriente que es suministrada a la batería es el calor. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, el control de computadora de la temperatura del electrolito permite una absorción de corriente máxima de las celdas de batería 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y 68 en los paquetes de batería 26 y 28. Al pulsar la corriente de carga grande y enfriado calentar electrolito en una celda de batería a una temperatura óptima, una cantidad más grande de corriente puede ser suministrada a la batería sin generar calor en exceso dentro de la celda 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y- 68. Por consiguiente, las celdas de plomo ácido inundadas de placa delgada y el sistema de circulación de electrolito integrado de la invención permiten una carga más rápida de los paquetes de batería de CD 26 y 28 en comparación con aquella obtenida normalmente. El sistema de circulación de electrolito 48 como se describe en la presente, impide la estratificación del electrolito dentro de las celdas individuales, 56, 57, 58, 60, 62, 66 y 68 de los paquetes de batería 26 y 28 y la ebullición del electrolito durante la carga de los paquetes de batería 26 y 28, permitiendo mediante esto tiempos de recuperación más rápidos de los paquetes de batería 26 y 28 y una vida más larga.

De acuerdo con una modalidad de la presente invención, la temperatura dentro de las baterías puede ser mantenida dentro de un intervalo de más de ± 25°C, comúnmente dentro de un intervalo de ± 15°C. La temperatura óptima para ciertos tipos de baterías varia comúnmente de alrededor de 20 a alrededor de 30 o 35°C. por ejemplo, bajo condiciones de operación típicas, la temperatura óptima del electrolito de la batería puede ser de alrededor de 24 a alrededor de 26°C dependiendo del tipo de batería particular utilizada y la temperatura puede ser mantenida dentro de ± 2°C dentro de ± 1°C de la temperatura óptima deseada.

.Como se muestra en la Figura 2, el sistema de carga pulsada de CD rápida 30 para los paquetes, de batería 26 y 28 es utilizado con corriente de CD vía el sistema de revelador de control de energía de CD 10 y el controlador vía señales eléctricas del controlador de CPU 29, en conjunción con el control de computadora de carga pulsada de CD 30. Corriente de carga adicional está disponible a través del motor de CI de combustible de hidrocarburo 14 que energiza el generador de CA 20 cuando se alcanza una velocidad óptima para el vehículo V.

El frenado regenerativo puede recapturar mucho de la energía cinética del vehículo V y convertirlo en electricidad de tal manera que puede ser usado para recargar los paquetes de batería 26 y 28. En el frenado regenerativo, el sistema que acciona el vehículo hace la mayoría del frenado. Esto es, cuando el conductor pisa el pedal del freno del vehículo híbrido V, los frenos ponen al motor eléctrico del vehículo 32 al modo de generación, frenando mediante esto las ruedas 36, 38, 40 y 42 del vehículo. Cuando está en el modo de generación, el campo eléctrico dentro de la armadura del motor eléctrico 32 es invertido creando mediante esto un campo de generación de corriente dentro de los devanados del motor o momento de torsión negativo. Mientras que esta en este modo de generación, el motor eléctrico 32 actúa como un generador eléctrico para producir electricidad que es alimentada a los paquetes de batería 26 y 28 o a los bancos de capacitores 44 y 46 y luego a los paquetes de batería 26 y 28 si los bancos de capacitores 44 y 46 son usados, dependiendo de los requerimientos de desempeño del vehículo V. de esta manera, los paquetes de batería 26 y 28 son mantenidos alrededor de un 80 por ciento de estado de carga (SOC) . La corriente en exceso está disponible para otros sistemas.

El sistema 8 de la presente invención opera como sigue. A velocidades menores de alrededor de 56 Km/h (35 mph) , el motor impulsor eléctrico del trabajo del inversor 32 es alimentado con corriente del motor de CI de combustible de hidrocarburo 14 que energiza el generador de CA 20. La corriente de CA del generador 20 es enrutada primero al controlador del motor de CA/CD 22 que traduce las entradas del conductor en controles de velocidad de momento de torsión y frenado. Luego, la energía es enrutada al revelador de control de CA 12, que permite el paso de los requerimientos de energía traducidos al motor impulsor eléctrico del trabajo del inversor 32. A velocidades por encima de alrededor de 56 Km/h (35 mph) el generador energizado por CI 20 no produce una cantidad suficiente de corriente para acelerar el vehículo por encima de esta velocidad a velocidades aceptables. Esto es detectado por el revelador de control de CD 10 que luego suministra energía de refuerzo complementaria de los paquetes de batería 26 y 28 como se requiera para alcanzar la velocidad introducida por el conductor deseada. Un dispositivo de debilitamiento de campo, como se describe en más detalle posteriormente en la presente puede ser usado en esta etapa para limitar la energía suministrada por el motor de CI 14 y generador de CA 20. Una vez que el relevador de control de CD 10 detecta que la corriente suministrada por el generador de CA 20 es suficiente para mantener la velocidad introducida, el relevador de control CD 10 corta la corriente CD suministrada por los paquetes de batería 26 y 28 permitiendo mediante esto que el generador de CA 20 suministra la corriente de CA requerida al relevador de corriente de CA 12 y luego al motor impulsor eléctrico de CA 32 para la operación continua del vehículo V por medio del árbol impulsor 33 y ruedas 36, 38, 40 y 42.

Con referencia particular a la Figura 2, otra función del control de computadora de carga pulsada de CD 30 es detectar y permitir que cualquier corriente en exceso no requerida para propulsar el vehículo a la velocidad deseada del generador de CA 20 sea enrutada de regreso a los paquetes de batería de CD 26 y 28 para la recarga. La corriente de CA es enrutada del generador de CA 20 al controlador del motor de CA/CD 22, que envía una corriente de CD al control de computadora de carga pulsada de CD 30 que a su vez hace pasar una corriente de carga pulsada de CD a los paquetes de batería de CD 26 y 28. Durante la desaceleración, aparcadero o frenado del vehículo el campo eléctrico del motor de trabajo del inversor CA 32 es cambiado para proveer generación de corriente en forma de una corriente de CD. Esta corriente de CD es enrutada vía el relevador de control de CD 10 al controlador del motor de CA/CD 22 y luego al control de computadora de carga de CD pulsada 30. El control de computadora de carga de CD pulsada 30 determina luego el nivel de carga en paquetes de batería de CD 26 y 28 por medio de un programa de control de computadora. Si se requiere corriente por lo paquetes de batería 26 y 28, es enviada en una corriente de CD pulsada a los paquetes de batería 26 y 28. Cuando las baterías están alrededor de 80 por ciento de estado de carga (SOC) o más alto (estado de carga que se refiere a una batería plenamente cargada) la corriente en exceso es enrutada a otros dispositivos a bordo. El control de computadora de carga de CD pulsada 30 determina luego el estado de carga. Esta información mantiene los paquetes de batería de CD 26 y 28 alrededor de un 80 por ciento de SOC y el electrolito de la celda a una temperatura óptima para una operación de carga y descarga rápida de los paquetes de batería de CD 26 y 28. Cuando el programa de computadora determina que un 80 por ciento de SOC ha sido alcanzado por los paquetes de batería de CD 26 y 28, cualquier energía adicional es enrutada a los dispositivos electromecánicos instalados, tales como el generador de hidrogeno 13 (Figuras 1 y 2), un sistema de carga de acumulador hidráulico u otro dispositivo útil. Esto permite que el uso de energía adicional generada durante el ciclo de desaceleración sea convertida en energía útil en la invención, incluyendo la operación de un sistema de freno de gato eléctrico. El exceso de energía puede también ser disipado en forma de calor utilizando resistores de frenado, como se describe más plenamente posteriormente en la presente.

En una modalidad, un sistema de regulación de diodo de Zener puede ser usado que se activa cuando un valor de carga objetivo (por ejemplo, 80 por ciento) ha sido alcanzado por cada batería individual del paquete y bloquea la corriente adicional o frena la corriente disponible a cada batería dentro del paquete. Esto permite que la corriente fluya a las baterías dentro del empaque que están a una SOC más baja que las baterías activadas en bloque en el paquete.

Todavía refiriéndose a la Figura 2, el sistema de freno de aire 50 es un sistema independiente y retiene el diseño y función de un sistema de frenado por aire operado normalmente. Cuando los frenos son aplicados o en una situación de aparcamiento, el motor impulsor eléctrico de CA 32 en conjunción con el controlador de CA/CD 22 produce una corriente de CD. Una porción de esta energía es usada para mantener los paquetes de batería de CD 26 y 28 a un nivel de carga objetivo. La corriente de CD disponible -en exceso es enviada a varios sistemas eléctricos dependiendo de la configuración del vehículo V y su propósito planeado, por ejemplo el generador de hidrogeno 13 que usa la electrólisis de agua para producir gas hidrogeno. El gas hidrogeno producido del generador de hidrogeno 13 puede luego ser inyectado- vía una línea de suministro apropiada al motor de combustible de hidrocarburo 14 para proveer energía adicional al generador de CA 20 que a su vez, provee una corriente de CA al motor impulsor eléctrico 32. La Combinación de gas hidrogeno como una mezcla de combustible dentro del motor de combustible de hidrocarburo 14 puede mejorar en general el desempeño de kilometraje del combustible de hidrocarburo, también como reducir emisiones de partículas. La corriente o energía de CD disponible en exceso puede también ser usada para energizar otros sistemas además del generador de hidrogeno 13. Por ejemplo, la energía en exceso puede ser usada para energizar un acumulador , hidráulico o dispositivos similares .

Los sistemas de inyección de hidrogeno de hoy en día usan en general CD de 12 voltios para el proceso de electrólisis. Esto también produce pequeñas cantidades de gas hidrogeno y hace muy poco por mejorar el desempeño del motor. La plataforma de generación de energía o generación eléctrica del sistema 8 de la invención provee una corriente de CD amplia para producir cantidades utilizables de gas hidrogeno para inyección al motor de combustible de hidrocarburo 14. Un beneficio adicional de la plataforma de generación eléctrica del sistema 8 es una velocidad de rpm constante del motor de combustible de hidrocarburo 14 que es usada para producir la corriente de CA. No teniendo que poner en operación el motor de CI 14 a diferentes intervalos de rpm y potencia reduce la complejidad del control de sincronización de inyección de combustible. Esto permite la operación económica de tal sistema mientras que qrea menos emisiones en comparación con un tren impulsor de motor de CI estándar. Esto puede dar como resultado tanto como un 30 0 40 por ciento o mayor incremento en kilometraje de combustible con un motor de quemado más limpio y sin las cuestiones de sincronización relacionadas con motores de CI que operan a intervalos de rpm y momentos de torsión variables.

Refiriéndose otra vez a las Figuras 1 y 2, los paquetes de baterías de CD 26 y 28 son aptos de tiempos de recarga rápidos por medio del uso del sistema de circulación de electrolitos 48, que es controlado por computadora por el controlador de computadora de CPU 29 para proveer condiciones de descarga y carga óptimas del sistema de carga de CD pulsados 30 mediante calentamiento y liberación de la carga o enfriamiento del electrolito dentro de las celdas 56, 57, 58, 60, 62, 64 y 68 de los paquetes de batería de CD 26 y 28. La configuración de los varios componentes del sistema de proporción eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 y el control de computadora de estos componentes no requiere una descarga profunda de las celdas de batería 56, 57, 58, 60, 62, 64, 66 y 68, mejora el desempeño de los paquetes de batería de plomo-ácido 26 y 28.

La energía de CA en el sistema 8 es continua en toda la operación del vehículo V, mientras que la energía de CD generada en el sistema 8 se apaga y enciende como sea requerida para la aceleración y ascenso de colinas para complementar la energía de CA del sistema 8. Esto es, el sistema 8 usa los paquetes de batería de CD 26 y 28 como un sistema de energía de refuerzo solamente durante demanda de corriente pico del vehículo V y usa el generador de CA 20, que esta dimensionado para una velocidad y peso establecidos, como la fuente de energía primaria para el motor eléctrico de CA 32. Estos dos factores dan como resultado un sistema de tren impulsor eficiente en energía, menos contaminación del vehículo V que retiene el sentido normal y manejabilidad de un vehículo convencional.

Los componentes individuales del sistema de propulsión eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 de la invención pueden ser componentes fuera del anaquel que están disponibles comercialmente . Cuando estos componentes son combinados y usados en conjunción con una configuración de control de CPU de acuerdo con la presente invención, trabajan de manera sinergista para crear un sistema impulsor eficiente de combustible de baja emisión. El sistema de propulsión eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 retiene características del camino normales y está disponible a costos razonables en comparación con los sistemas de tren impulsor de motor de CI convencionales usados en vehículos todo terreno clase 8 DOT tales como camiones semi-remolque .

El sistema de propulsión eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 de la invención y sus componentes están diseñados para ser configurables tanto para nuevas instalaciones de vehículos, también para kits de conversión para vehículos de motor de CI existentes. El diseño de los componentes del sistema de propulsión eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 en forma de kit puede permitir la actualización retroactiva de las unidades energizadas con CI existentes a un precio viable. En esta modalidad, el kit puede incluir un controlador de sistema pre-cableado empalmado 29, un sistema de circulación de electrolito 48 (Figura 2), un cargador pulsado a bordo 30 (Figura 2) y los componentes de accionamiento 14, 20, 22 y 32 que sean coincidir con una velocidad y peso de carga deseado. La mayoría de las conversiones eléctricas de vehículos involucra componentes de una clase diseñados de tal manera que no pueden ser transferidos de un vehículo al siguiente sin modificaciones existentes al vehículo de CI . En algunas instancias, los vehículos convertidos son esencialmente de una clase, que son difíciles de diagnosticar y/o reparar y la conversión de estos vehículos a un sistema de propulsión eléctrico es más bien cara. De acuerdo con la presente invención, el sistema de propulsión eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 puede ser instalado sobre un chasis de un camión clasificado hasta clase 8 DOT vía un sistema de soporte y caja internado. Al hacer esto, los componentes del sistema 8 pueden ser reparados al proveer fácil remoción y servicio fuera de borda de los componentes del sistema.

Como se afirma anteriormente, en algunas modalidades, el motor 14 y generador de CA 20 pueden ser un "gen-set" en donde los componentes son conectados mecánicamente en la fábrica y vendidos comercialmente como una unidad coincidente. El motor de CI de combustible de hidrocarburo 14 energiza el generador de CA 20, que opera a un intervalo de curva de potencia y rpm constantes. Esto se lleva a cabo al dimensionar el motor 14 y generador de CA 20 del gen-set a los requerimientos de carga eléctrica de los requerimientos de diseño del vehículo. Un gen-set opera normalmente a un intervalo de rpm y momentos de torsión constantes para suministrar la carga eléctrica requerida. La única carga de las rpm por el gen-set están a demanda de corriente pico. En la presente invención, los paquetes de batería de CD 26 y 28 contemplan esta demanda pico permitiendo una operación a rpm y momento de torsión casi constante del gen-set del vehículo. Los motores que operan bajo condiciones constantes tienen una ventaja definitiva en comparación con motores que operan bajo intervalos de curva de potencia y rpm variables y son más tolerantes de los cambios de ajuste de encendido y sincronización de combustible. Así, el sistema de propulsión 8 de la invención permite que el motor de combustible de hidrocarburo 14 tenga su sincronización de encendido manipulada a un punto de que las emisiones de NOx pueden ser reducidas sin afectar el desempeño del motor 14 y el tren impulsor del sistema 8.

Como se describe anteriormente, los vehículos clase 8 DOT de hoy en día son normalmente energizados por un motor de CI con velocidad y momentos de torsión controlados por medio del uso de una transmisión manual y proporción de engranaje del diferencial del tren impulsor. Este sistema tiende a ser complejo y propenso a desgaste y rupturas debido a las demandas del conductor para mantener una velocidad dada en tanto que transporta cargas de peso variables. Cuando el conductor de un vehículo de remolque pesado está maniobrando en terreno montañoso o con colinas, la necesidad constante de cambiar de engranajes en tren impulsor de CI es una fuente principal de fatiga. La presente invención usa el controlador del motor de vector de CA 22 y programación de computadora del controlador, del sistema de CPU 29 para mantener un momento de torsión y velocidad constantes a diferencial 34 acoplado al motor eléctrico de CA 32, que en efecto imita una transmisión automática sin las pérdidas de energía mecánica asociadas de tales transmisiones. El controlador del motor de vector de CA 22 puede también ser programado para controlar el momento de torsión negativo también como positivo al usar el campo eléctrico generado del motor impulsor eléctrico del inversor 32 vía el controlador de computadora a bordo 29. Esto permite el frenado regenerativo controlado por computadora al usar el motor de CA 32 para producir una corriente eléctrica que es usada para recargar una porción de los paquetes de batería de refuerzo 26 y 28 y para crear una fuerza de frenado que es independiente del sistema de freno de aire 50 vía el controlador de computador del sistema de CPU a bordo 29.

Como también se describe anteriormente, un vehículo clase 8 DOT típico usa lo que es denominado como freno de gato que es usado para frenar vehículos pesados sin el uso de un sistema de freno de aire o para ayudar al sistema de freno de aire en el frenado o parada del vehículo. Este es un elemento de seguridad mayor y es estándar en la mayoría de los vehículos remolcados más pesados. El frenado se lleva a cabo al usar la contrapresión del motor de CI. Mientras que efectúa esta función bien, la operación del freno de gato es muy ruidosa. Muchas ciudades han prohibido o están en proceso de prohibir vehículos que emplean frenos de gato y promulgado ordenanzas contra el ruido impidiendo mediante esto el uso de frenos de gato en algunos vehículos. El sistema 8 de la invención usa el controlador del motor de CA/CD 22 en combinación con el motor de trabajo del inversor de CA 32 para llevar a cabo el mismo frenado de un vehículo como sistemas de frenos de gato pero lo hace electrónicamente con poco o ningún ruido. El controlador de CA/CD 22 es apto de control finito al controlar la cantidad de potencia regenerativa que es producida por el motor impulsor del inversor de CA 32 vía el controlador de computadora a bordo 29. El controlador de CA/CD 22 de la invención cuando está en un modo de frenado regenerativo es vastamente superior para llevar a cabo los mismos elementos de los sistemas de freno • de gato de hoy en día en' un tren impulsor de CI. Por consiguiente, en algunas modalidades de la invención, se puede eliminar la necesidad de un sistema de freno de gato.

Refiriéndose otra vez a la Figura 1, el controlador del sistema de CPU 29 traduce la interfase del operador del vehículo a señales eléctricas para encendido, regulación, frenado y momento de torsión al controlador del motor de CA 22. Otra función del controlador del CPU 29 es permitir la transmisión de datos a un centro fuera del sitio para el monitoreo, diagnosis y manipulación remota de todas las señales eléctricas del vehículo desde una locación central. Esto es útil para resolución de problemas a distancia, reparación de vehículos y adguisición de datos de los componentes de accionamiento. Datos comerciales pueden también ser enviados a una locación central por el controlador de CPU 29. Estos datos pueden ser útiles para determinar el desempeño del conductor y del vehículo, rastreo de ubicación de GPS, información antirrobo y otra información útil relacionada con el comercio. La información enviada a y/o recibida por el controlador de CPU 29 es información en tiempo real.

La Figura 4 ilustra detalles de los paquetes de batería A, B, C y D y un sistema de control de carga de CD pulsado 30 para uso en el sistema de propulsión 8 de la invención. El pulsado de la corriente de carga de CD puede permitir una recarga más rápida de las baterías. En la Figura 4, cada paquete de batería de A a D comprende siete celdas de baterías. Los paquetes de batería A, B, C y D pueden ser similares a los paquetes de batería 26 y 28 de la Figura 3. Las celdas de baterías de cada paquete de batería A a D están cableadas en serie. Las líneas oscuras representan cables que son negativos y las líneas claras representan cables que son positivos. La conmutación y componentes de PC están disponibles comercialmente y pueden ser ensamblados en la configuración de la Figura 4. Los paquetes de batería y- el mecanismo de conmutación pueden estar cableados en serie, en paralelo o en combinaciones de los mismos con el fin de cambiar la configuración de los paquetes de baterías.

La Figura 5 es una vista lateral parcialmente esquemática de un vehículo V que incluye un sistema de propulsión híbrido de la serie de combustible de hidrocarburo-eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención, que incluye las ubicaciones físicas de los componentes del sistema en el vehículo. Los componentes de la Figura 5 que son similares a componentes correspondientes de las Figuras 1-4 son marcados con los mismos números de elementos. Un gabinete de componentes electrónicos 21 es montado detrás de la cabina del vehículo V y un panel de control 23 es montado al interior de la cabina.

Para simplificar la instalación del sistema híbrido como se describe, el panel de control principal montado en la cabina 23 puede ser montado sobre el alojamiento de la transmisión original removido en un vehículo convertido. El panel de control principal .23 puede contener las funciones de control y lógicas para la operación del sistema de accionamiento híbrido, también para servir como el punto de conexión principal para el cableado de control de bajo voltaje. El panel de control 23 está situado para no interferir con los controles existentes, permite el movimiento normal del operador dentro del vehículo y coloca controles y dispositivos de monitoreo adicionales necesarios dentro del campo de visión y alcance normal del operador. El panel de control principal 23 puede contener los siguientes controles de monitoreo de interfase del operador y accionarlo: un medidor de amperaje para monitorear la salida de corriente de los paquetes de batería 26 y 28; un voltímetro para monitorear el voltaje de paquete de batería; un medidor de temperatura para el monitoreo de paquete de batería y una interfase de pantalla digital para monitorear el motor de CI y salida del generador. Los . controles de cancelación del operador pueden ser provistos para el sistema de ventilación de paquete de batería, sistema de enfriamiento de electrolito 48, control de frenado dinámico y luces indicadoras de conexión a tierra defectuosa o fugas de energía con un circuito de bloqueo de inicio. El panel de control principal 23 puede también contener un medidor de monitoreo de batería individual para pruebas o uso de diagnóstico. Además de proveer retroalimentación del operador, tales medidores y pantallas pueden proveer señales de control de interfase de relevador que son enrutadas en todos los componentes del tren impulsor híbrido en base a comandos del operador o dispositivos de retroalimentación de señal. El panel 23 puede contener los tableros y circuitos lógicos para activar el circuito limitante de corriente del campo del generador que interactúa con la interfase del controlador de debilitamiento de campo. Esta interfase puede estar localizada dentro del panel de control principal 23 y permite el ajuste y monitoreo del dispositivo. Controles de interfase del operador adicionales montados dentro del panel principal 23 pueden incluir un dispositivo de entrada delantero e inverso, un interruptor de comando de arranque de encendido y apagado, dispositivo de parado de E para desconexión de energía de emergencia y un botón de restablecimiento para reinicio del sistema si una condición defectuosa está presente, también como otros controles y señales de interfase del operador deseados.

Las Figura 6 y 7 ilustran el gabinete de componentes electrónicos 21 montado detrás de la cabina del vehículo que aloja ciertos componentes de un sistema de propulsión híbrido en serie de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El gabinete 21 aloja el controlador' de CA/CD 22, el control de computadora de carga pulsada 30, el relevador de control de CD 10, el relevador de control de CA 12 y un controlador 11 para el generador de hidrógeno que enruta la corriente del control de computadora 30 al generador de hidrógeno 13. Además, el gabinete 21 puede contener una serie de resistores de frenado 25 que disipan la energía en exceso en forma de calor cuando el sistema está en el modo de frenado. Una desconexión de CA principal 15, protector de fallas de GFI 17 y desconexiones de CD de batería 19 están también alojados en el gabinete 21.

La Figura 8 ilustra una unidad de control de energía de CD 30 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La energía de CD disponible es primero enrutada al controlador de energía de CD 30 desde los paquetes de batería 28 y 26 junto con la energía de CD generada durante el frenado dinámico o regenerativo vía el controlador de motor de CA/CD 22 producida por el motor de CA 32. Los puntos de conexión de energía 31 del controlador de energía de CD 30 permiten que el cableado de alto voltaje sea mantenido seguramente a la caja. La pata positiva de la energía de CD es enrutada a un bloque de fusibles principales 37 para proteger el paquete de baterías de una sobre corriente. La pata negativa de energía de CD es enrutada al conector de derivación negativo del paquete de batería 27 que envía una señal de monitoreo al panel de control principal 23 ubicado en la cabina del vehículo. Luego, la pata negativa es enrutada al bloque de energía negativa del paquete de batería 45 para distribución adicional. Los cables de energía positivos y negativos dentro del controlador de energía de CD 30 son luego enrutados a las unidades de conmutación de transistor bipolar de compuerta aislado (IGBT) 41 que son montadas sobre o cerca de un disipador térmico de aluminio 35 que puede ser enfriado por aire o enfriado por líquido para la disipación de calor durante la operaciones de conmutación. Las unidades de IGBT 41 reciben señales de control de bajo voltaje a través de los conectores 43 de tableros lógicos de accionador de IGBT 39 que son conectados al panel de control principal 23. Esta señale abre y cierra los IGBT a velocidades muy rápida dependiendo de los comandos del operador, energía de frenado disponible y SOC de los paquetes de batería 26 y 28. La energía de CD de alto voltaje puede ser enrutada para cargar los paquetes de batería del vehículo 26 y 28 cuando los dispositivos de monitoreo de SOC de la batería contenidos dentro del panel de control principal 23 indican que se requiere un ciclo de carga para mantener el SOC deseado. Esta carga es suministrada como un suministro de energía de CD pulsado vía las unidades de conmutación de IGBT 41. El controlador de energía de CD 30 también funciona para enrutar energía de CD adicional para complementar la energía generada de CA suministrada por el gen-set 20. Una señal de control es generado en el panel de control principal 23 como parte de la interfase del operador. La señal generada puede interpretar posición de regulación y frenado tal como es activada por el operador y envía esta al tablero del accionador de IGBT apropiado 39 que a su vez señala a las unidades de conmutación de IGBT 41 que se abran o cierren dependiendo del comando del operador. La misma función ocurre durante el frenado dinámico. Una señal interpretada dentro del panel de control principal 23 vía la interfase del operador con los controles del ' vehículo de regulación y frenada es enviada al tablero de accionador de IGBT apropiada 39 que luego activa la unidad de IGBT 41 para enviar energía a los resistores de frenado dinámico 25. Una alternativa a enviar energía a los resistores de frenado dinámico 25 es devolver la energía a los paquetes de batería 26 y 28 para un ciclo de carga o a otro dispositivo útil tal como el generador de hidrógeno 13. El controlador de energía de CD 30 enruta así la energía de CD dependiendo de la señal recibida del panel de control principal 23 y provee señales de retroalimentación al panel de control principal 23.

La Figura 9 ilustra un sistema alternativo 100 para mantener las celdas de batería de la presente invención a temperaturas deseadas de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Como se indica anteriormente, para optimizar los ciclos de carga y descarga de las baterías usadas en el conjunto de los paquetes de batería de la presente invención, la temperatura deseada de batería individual es mantenida dentro de un intervalo especificado, por ejemplo dentro de ± 2°C o ± 1°C de la temperatura óptima para el tipo particular de batería usada. En esta modalidad, el uso de un sistema de control de temperatura a bordo 100 permite que el sistema tome ventaja de un amplio intervalo de plataforma de almacenamiento eléctrico alternativo a medida que son desarrollados. Estos sistemas de almacenamiento alternativos pueden incluir nuevas baterías de celdas de plomo-ácido tales como baterías de electrodo modificadas, baterías híbridas de plomo ácido/capacitor (bat-caps) , tecnología de batería de electrolito alternativo y otros avances en tecnología de plomo ácido. Estas tecnologías de batería de elementos alternativos pueden ser incorporadas al diseño de paquete de baterías para almacenamiento eléctrico a bordo. Algunas alternativas de baterías comunes incluyen carbono-zinc, alcalinas, plomo ácido, hidruro de níquel metal, níquel cadmio y ion de litio. Otras incluyen celdas de níquel/hidrógeno, celdas de níquel/cadmio, celdas de níquel/hidruro de metal (NiMH) , celdas de sodio/azufre, celdas de níquel/sodio, celdas de manganeso-titanio (litio) , celdas de manganeso alcalinas recargables, celdas de níquel zinc, celdas de hierro níquel, celdas de hierro aire, celdas de hierro plata y celdas redox (electrodo liquido) . Se notara que el sistema de control -de temperatura a bordo 100 también permite que el sistema de la presente invención opere con cualquier otro sistema de almacenamiento eléctrico que puede ser optimizado al controlar la temperatura dentro de un intervalo de operación especificado. Estos incluyen pero no están limitados a tecnología de celda de combustible, tecnología de depuración de calor y tecnologías de baterías de elementos alternativos.

El sistema de control de temperatura 100 consiste de una bomba de circulación 104 ya sea de alto o bajo voltaje, un intercambiador de calor 103, sondas de temperatura 108 con circuitos de retroalimentación localizados dentro de los paquetes de batería 110 en sitios óptimos, fluido de transferencia de calor sin congelación F, suministrado de un depósito de fluido 109, un sistema de múltiples 120 apto de dirigir el flujo de transferencia de calor F y un sistema de control termostático 124 apto de poner en operación circuitos externos. En los paquetes de batería 110, los encamisados de fluidos de la unidad de almacenamiento eléctrico individuales 114 rodean cada batería 112 y el material de aislamiento 116 rodea cada forro 114.

El dispositivo de control termostático 124 esta preferiblemente ubicado remotamente dentro de -la cabina del vehículo de tal manera que el conductor puede monitorear la temperatura de operación de los paquetes de batería ya sea con una lectura digital o análoga. El monitor termostático montado en la cabina remota detecta la temperatura de la sonda por medio de dispositivos de termo acoplamiento 108 ubicados dentro de las unidades de almacenamiento eléctricos individuales 110. El monitor termostático contiene interfases de relevador variables que ponen en operación solenoides externos colocados dentro del sistema múltiple principal 120, que luego dirige el fluido de transferencia de calor F a los forros del fluido 114 que rodean cada unidad de almacenamiento eléctrico individual 112. El fluido de transferencia de calor F es calentado o enfriado por medio del intercambiador de calor 106 dependiendo del intervalo de operación óptimo a ser mantenido por el sistema. El fluido de transferencia de calor F es luego devuelto al sistema de múltiple principal 120 en donde ya sea se permite que descargue el calor al intercambiador de calor o absorba calor del intercambiador de calor, dependiendo de la temperatura del fluido de transferencia de calor.

El líquido de transferencia de calor F puede tener una base química de metanol, etilenglicol, propilenglicol, ácido orgánico u otras combinaciones que transfieren calor rápidamente e impiden la congelación de los fluidos de transferencia. Un fluido de transferencia de calor preferido F comprende un ferrofluido. Los ferrofluidos proveen propiedades de transferencia de calor y frió superiores en comparación con otros fluidos de transferencia de calor usados comúnmente en aplicaciones industriales y automotrices de hoy en día. Los ferrofluidos son mezclas coloidales compuestas de partículas ferromagnéticas o ferrimagnéticas pequeñas, por ejemplo de escala nanoscopica suspendías en un fluido portador, usualmente un solvente orgánico como se indica anteriormente. Un surfactante es frecuentemente agregado al ferrofluido para ayudar a mantener la. dispersión de las partículas dentro del fluido portador. Los ferrofluidos pueden estar compuestos de partículas de nanoescala (diámetro usualmente de 10 nm o menos) de magnetita, hematita u otros compuestos que contienen hierro. Un diámetro de 10 nanómetros es suficientemente pequeño para la agitación térmica para dispersar las partículas igualmente dentro de un fluido portador que a su vez permite que las partículas contribuyan a la respuesta magnética global del fluido. Además de sus propiedades magnéticas, las nanopartículas a base de hierro suspendidas dentro del fluido portador mejoran la capacidad de los fluidos portadores para transferir y transportar calor o frió dentro del fluido portador .

Como se ilustra en las Figuras 10 y 11, una modalidad de la invención provee un generador de CA 200 que incorpora un paquete de baterías 202 en paralelo para satisfacer las demandas de carga de un motor de accionamiento eléctrico de CA 204. El paquete de baterías 202 opera como un dispositivo de refuerzo de energía para complementar la energía derivada de energía de CA 200. Un controlador del motor de CA 208 y un controlador de interfase del dispositivo de debilitamiento de campo 210 son también provistos. El generador de CA 200, paquete de baterías 202, motor impulsor eléctrico de CA 204 y controlador de motor de CA 208 pueden ser similares a aquellos descritos anteriormente. Los parámetros de diseño son de tal manera que cuando la energía del paquete de baterías de refuerzo no es requerida o alcanza un estado bajo de carga, el paquete de batería 202 se desconectara de la carga. El compartimiento de carga del paquete de batería está diseñado para ser intermitente y no continuo. El paquete de batería 202 es usado para complementar y sumarse a la salida de energía del generador de CA 200 durante demandas pico.

La energía de refuerzo de batería limitada se hace disponible al motor impulsor eléctrico de CA 204 del vehículo. Durante la demanda de energía pico del motor eléctrico 204 solo un número limitado de ciclos de descarga de corta duración del paquete de batería 202 puede ser obtenido. Estos son picos que duran solo uno a dos segundos con una profundidad de descarga poco profunda. La carga no es compartida con el paquete de batería 202 durante periodos de carga picos.

El tiempo de reacción del generador de CA a una demanda de carga puede ser más rápido que un paquete de baterías cableado en serie. Esto es debido a la resistencia o impedancia del paquete baterías. El generador de CA, siendo controlado solamente por un dispositivo de regulación simple que reacciona a la demanda de carga, intenta satisfacer el requerimiento de carga incrementada para aceleración y ascenso de colinas del vehículo. El tiempo de reacción más rápida e incremento de energía del generador bloquean el voltaje entrante del paquete de baterías. Un dispositivo que reduce la corriente a la bobina de campo del generador en un punto establecido para estabilizar la salida del generador y permitir que el paquete de batería comparta la carga con el generador sería deseable.

De acuerdo con una modalidad de la invención, al reducir la corriente a la bobina de campo de un alternador o campo de excitación, un evento limitante de corriente, la corriente de salida del generador de CA 200 puede ser no solamente limitada sino también mantenida a un valor definido. Este control de la salida de energía del generador de CA 200 a un valor establecido permite que el paquete de batería de refuerzo 202 de la invención provea una corriente para combinar con y complementar la corriente provista del generador de CA 200.

Comúnmente, un generador convencional continuara intentando suministrar niveles incrementados de corriente, como son requeridos, conduciendo a la sobre carga de un motor de combustible de hidrocarburo y al sobre calentamiento indeseable del generador mismo. Los generadores pueden utilizar un dispositivo de apagado de seguridad simple tal como un interruptor de circuito para limitar la salida de corriente máxima cuando los generadores son requeridos para exceder su capacidad nominal máxima.

De acuerdo con una modalidad de la invención, un dispositivo de debilitamiento de campo 206 monitorea constantemente la corriente de salida del generador de CA 200 por medio de una derivación externa o detector de corriente tipo efecto de Hall en los puntos presentes, el dispositivo de salida de limite de corriente 206, en lugar de usar un interruptor de circuito para el control de corriente como en otras aplicaciones, incorpora circuitos de debilitamiento de campo de excitación que permite que el sistema de la presente invención provea salidas de energía continua del generador de CA 200 sin sobrecalentar el generador. El motor de combustible de hidrocarburo también continua operando dentro de los intervalos de momento de torsión y temperatura normales sin altera la salida de energía del generador de CA 200.

Cuando la energía del paquete de batería de refuerzo 202 no es requerida o alcanza un estado bajo de carga, esto provocara que el paquete de batería 200 se desconecte. El aspecto de límite de corriente del dispositivo del debilitamiento de campo 206 permitirá luego que el generador de CA 200 continúe suministrando energía normalmente.

De acuerdo con esta modalidad, un circuito de debilitamiento de campo o circuito de derivación de campo como- se muestra en detalle en la Figura 11 es provisto con el fin de debilitar la corriente a la bobina del campo alternador -200. Los componentes consisten de un resistor de alta potencia 220 con resistencia muy baja, un contactor de un solo polo o unidad de conmutación de IGBT 222 y un diodo de bloqueo 226. El resistor de debilitamiento de campo 220 es colocado en paralelo con la bobina de campo de alternador de generador de CA 200. El generador de CA opera comúnmente a 60 Hz. En tanto que opera con un requerimiento de baja potencia, el contactor de debilitamiento de campo 222 permanece abierto y el resistor de debilitamiento de campo 220 no tiene ningún efecto sobre la operación del generador. El control de interfase de debilitamiento de campo 224 como se muestra en la Figura 10, monitorea diferentes puntos del sistema y energiza el contactor 222 cuando se requiere energía de la batería y la salida del generador 200 será estabilizada y limitada. Una vez que el sistema de debilitamiento de campo 206 es energizado, la corriente de la bobina de campo de alternador 200 se reduce a un valor ajustable preestablecido.

Por ejemplo, la corriente puede ser mantenido a un nivel de entre 35 y 95 por ciento el nivel de corriente máxima del generador. Esto permite que una pequeña cantidad de corriente de bobina de campo de alternador omita la bobina de campo del alternador 200 y fluya a través del resistor de debilitamiento de campo 220. La corriente de alternador global sigue siendo la misma pero ahora algo de la corriente de campo de alternador es disipada por el resistor de debilitamiento de campo 220. Esta reducción en corriente de campo debilita la fuerza magnética del campo del alternador y permite una reducción de momento de torsión y corriente. El sistema que opera en este modo permite que la corriente de la batería entre al componente de control de accionador de motor 208 del vehículo mientras que mantiene una salida del generador preestablecida estable. Esta condición puede ser requerida durante la aceleración y el ascenso de clinas del vehículo. Durante la desaceleración, descenso de colinas o terreno nivelado, otra vez a un nivel preestablecido y ajustable, el control de interfase de debilitamiento de campo 224 abandona el contactor de debilitamiento de campo 222 y regresa a un modo de desviación. El control de interfase de debilitamiento de campo 224 puede tener dos o más ajustes. Un ajuste controla el punto de captación del contactor de debilitamiento de campo 222 y otro controla el punto de caída. Ambos ajustes están relacionados con la corriente que determina cuando la corriente en el alternador 200 es lo suficientemente alta para utilizar debilitamiento de campo o la demanda de carga es lo suficientemente baja para abandonar el debilitamiento de campo.

En un ejemplo práctico de la operación del dispositivo de debilitamiento de campo, un vehículo cargado puede estar viajando en terreno plano y nivelado, bajo las cuales condiciones de energía eléctrica al motor es protista exclusivamente por el generador. El vehículo encuentra ahora una colina para trepar y se requiere más energía por el motor para mantener la velocidad. El generador es requerido para proveer energía adicional y sin el dispositivo de debilitamiento de campo intentara proveer más y más energía hasta el ICE es sobrecargado o el circuito de seguridad del generador se involucra para apagar la salida de emisión del generador. Con el dispositivo de debilitamiento de campo en su lugar, el generador intenta satisface el requerimiento de energía adicional y lo hará pero solamente hasta que el dispositivo de debilitamiento de campo se acopla en un punto en el cual el generador mantiene una salida segura, estable y máxima a un nivel de corriente de alrededor de 35 por ciento a alrededor de 95 por ciento de la capacidad de corriente máxima del generador. La energía adicional requerida para mantener el momento del vehículo es así provista de los paquetes de batería, combinada con la energía del generador y enviada al motor' como se requiera por el cóntrolador del motor. Cuando el vehículo regresa a plano y nivelado o una pendiente de bajada, la energía de la batería es desacoplada y luego el dispositivo de debilitamiento de campo también se separa para permitir que el generador regrese a la operación normal. El mismo escenario anterior puede también ocurrir si el conductor requiere aceleración agresiva del vehículo.

La Figura 12 ilustra una modalidad de la presente invención en la cual se proveen circuitos 300 con el fin de proteger los ocupantes del vehículo y testigos de las fugas de corriente y condiciones de fallas de conexión a tierra asociadas con la conexión a tierra en los dispositivos de almacenamiento eléctrico de CD a bordo. Estos circuitos 300 son aptos de monitorear condiciones defectuosas, prevenir a los ocupantes de cualquier ocurrencia e interrumpir cualquier punto de voltaje por encima de un valor preestablecido e interrumpir el flujo de corriente eléctrica bajo tales condiciones de falla de conexión a tierra.

Los circuitos 300 como se describen pueden operar en conjunción con los paquetes de batería de la presente invención, suministros de CD marcado, también como cualquier otro dispositivo de almacenamiento de conexión tierra flotante de CD tal como pero no limitado a celdas de combustible, dispositivos de depuración de calor y otros dispositivos de almacenamiento eléctrico. Estas tecnologías de batería incluyen carbón-zinc, alcalinas, plomo ácido, hidruro de níquel de metal, níquel 'cadmio y ion de litio. Otras incluyen celdas de níquel/hidrógeno, celdas de níquel/sodio, celdas de manganeso-titanio (litio) , celdas de manganeso alcalinas recargables, celdas de níquel zinc, celdas de hierro níquel, celdas de hierro aire, celdas de hierro plata y celdas redox (electrodo liquido) .

Tales baterías pueden requerir circuitos de protección que pueden funcionar en aplicaciones de tecnología cruzadas. Los circuitos 300 consisten de un módulo de microprocesador 302 apto de monitorear un dispositivo de almacenamiento eléctrico de PC conectado en serie utilizando una configuración de conexiona a tierra flotante, un módulo de referencia de conexión a tierra 304 que se interconecta con el módulo de procesador 302, una luz de advertencia en cabina 303, alarma audible 308 y entrelazamiento de llave de encendido 310 y el cableado asociado requerido para interacción de los dispositivos. El módulo 300 es activado después del inicio del sistema eléctrico utilizando un interruptor de encendido estándar. El circuito determina si hay una condición defectuosa de ya sea una fuga de voltaje fuera de un intervalo preestablecido determinado para estar encima de niveles de seguridad o si existe o una condición a falla de conexión a tierra en los dispositivos de almacenamiento de energía de CD. Cuando existe una condición insegura, el circuito 300 impide el entrelazamiento de los paquetes de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía de CD y alerta al operador por medio de un zumbador y luz de advertencia montada en el tablero de la condición, también como deshabilitar la secuencia de arranque de encendido. En un escenario de accidente, el circuito puede proteger los ocupantes del vehículo y trabajadores de rescate al cortar la energía de CD de los paquetes de batería y corte del circuito de bomba de combustible.

Bajo condiciones normales, tal como se determina por el módulo 300,, el entrelazamiento de arranque del sistema de almacenamiento de energía de CD continua sin impedimento dando como resultado una secuencia de arranque normal del vehículo. El monitor continúa su operación durante la operación normal del vehículo para asegurar que las condiciones de seguridad sean mantenidas y que no exista ninguna condición de falla de conexión a tierra.

Si durante la operación del vehículo, fugas de voltaje en exceso del valor establecido aparecen o se encuentra una condición de falla de conexión a tierra, el dispositivo de almacenamiento de CD del vehículo es desconectado del circuito de accionamiento principal y la luz de advertencia montada en el tablero y zumbador son activados. Simultáneamente, el interruptor de falla de conexión a tierra es luego activado y el. sistema no puedo ser reiniciado sin que la condición de falla sea corregida.

En otra modalidad de la invención, el motor de inducción que usa una corrida de campo electromagnética puede ser reemplazado con un motor de imán permanente (PM) utilizando imanes permanentes para producir una corriente de campo. El motor de PM es una maquina eléctrica giratoria con un estator trifásico, como aquel de un motor de inducción. La Figura 13 ilustra un generador de imán permanente 400 de acuerdo con una modalidad de la presente invención conectado al monitor de CI 14 por un árbol de arrastre 15. El generador 400 tiene un núcleo de estator 402 y devanado del estator 404 montado sobre el árbol impulsor 15. Los discos giratorios 406 y 408 montados sobre el árbol 15 incluyen imanes permanentes 412 y 414. El rotor tiene imanes permanentes montados en la superficie de neodimio-boro-hierro o samario-cobalto o férrica u otros de tales elementos. Cuando el estator es energizado por un voltaje sinosoidal trifásico, el motor de PM es equivalente a un motor de inducción con un campo magnético con espacio de aire producido por un imán permanente. El uso de un imán permanente para generar un flujo magnético de espacio de aire hace posible diseñar motores altamente eficientes.

Un motor de PM provee varias ventajas cuando es usado en el tren impulsor híbrido de la invención. Estas ventajas incluyen alta eficiencia, alto momento de torsión por volumen y bajo momento de inercia, tamaño de bastidor más pequeño y peso más ligero. Puesto que no hay necesidad de que la corriente sea alimentada al rotor, no se crean corrientes extraviadas eliminando asi la picadura de arco y fallas de rodamiento. El uso de un motor de PM puede mejorar la seguridad de un diseño de vehículo híbrido ya que elimina una fuente común de fugas eléctricas al chasis del vehículo. Las fugas eléctricas en un vehículo híbrido pueden provocar un peligro de choque a los ocupantes del vehículo también como cualquiera que se ponga en contacto con el vehículo.

Utilizando un motor de PM como el motor impulsor en esta modalidad de la invención, requiere circuitos especiales que pueden exactamente determinar la posición de partida del motor de PM. Un motor de PM comúnmente orientara o girar hacia una posición conocida para permitir el arranque del dispositivo. Esto podría crear un peligro de impacto a los ocupantes del vehículo o cualquiera en proximidad estrecha al vehículo. Este requerimiento de arranque de un motor de PM puede ser eliminado por medio del uso de un codificador de motor de árbol que opera en conjunción con un detector de Hall con retroalimentación al controlador de motor para determinar la posición en reposo exacta del motor. Esta combinación permite el arranque desde cualquier posición de motor en reposo, eliminando el requerimiento de brinco o giro a la posición de partida.

En esta alternativa, el control de frenado dinámico y energía regenerativa puede ser efectuada mediante un método alternativo que puede ser usado con un motor tipo inducción. Dos métodos pueden ser usados en el frenado dinámico y control de energía regenerativo. El primer método consiste en poner en corto circuito una fase de energía trifásica suministrada al motor de PM. Tales circuitos pueden ser abarcados dentro del controlador del motor de PM/CA cuando es usado con un motor impulsor de PM. El segundo método consiste de sujeción por modulación de ancho de impulso (PWM) de una fase al motor impulsor de PM. Estos métodos pueden ser usados solos o conjuntamente para proveer ya sea frenado dinámico o energía regenerativa al paquete de batería durante tiempos desde su instalación o parada del vehículo.

Otro beneficio al uso de un motor impulsor de PM es la reducción de tamaño y peso del conjunto del motor. La reducción del tamaño crea colocación de motor flexible dentro del sistema e incrementa la capacidad de carga de un vehículo de remolque pesado. Un motor tipo inducción de energía y desempeño similar puede pesar hasta 10 veces aquel de un motor de PM. Esto incrementa la rentabilidad de un vehículo comercial al permitir que flete extra sea cargada en tanto que se mantienen los pesos legales de operación.

Otra modalidad de la invención incluye el uso de un generador de imán permanente (PM) anexado a un motor de combustión interna de combustible de hidrocarburo para proveer la fuente de alimentación generada del vehículo. Las maquinas eléctricas de imán permanente son un desarrollo reciente y se están volviendo competitivas en el costo con las maquinas eléctricas de inducción tradicionales.

Cuando son usados en la invención como se describe, un generador de PM ofrece ventajas con respecto a los alternadores tradicionales o máquinas de generación eléctricas (generadores) . El campo magnético del generador de PM, provisto por imanes permanentes, es desarrollado con una estructura de rotor que consiste de un anillo de hierro magnético con imanes montados sobre su superficie. Un material magnético- tal como neomidio-boro-hierro o samario-cobalto u otros de tales elementos pueden proveer un flujo magnético en este tipo de máquina. A diferencia de los generadores electromagnéticos, la mayoría usados comúnmente para generación de energía, un generador de imán permanente es más simple, casi libre de mantenimiento y opera a una eficiencia más alta en un intervalo más amplio de salida de energía. Puesto que no hay necesidad de que la corriente sea alimentada al rotor del generador, no se crean corrientes extraviadas y así se evitan la picadura por algo y fallas de rodamiento .

El uso de un generador de PM puede mejorar la seguridad de un diseño de vehículo híbrido ya que elimina una fuente común de fugas eléctricas al chasis del vehículo. Las fugas eléctricas en un vehículo híbrido pueden crear un peligro de choque a los ocupantes del vehículo como cualquiera que se ponga en contacto con el vehículo. La habilidad de proveer generación de energía de velocidad variable al sistema con el uso de un generador de PM permite la operación más eficiente de un motor de combustión interna de combustible de hidrocarburo en un intervalo más amplio de condiciones de camino y tráfico.

Para proveer una corriente dada, el requerimiento de caballos de fuerza del motor de combustión interna es menor que el campo de excitación de una máquina de generación eléctrica es provista por imanes permanentes que cuando el campo de excitación es desarrollado electromagnéticamente. Esto a su vez permite una operación más eficiente del motor de combustión interna de combustible de hidrocarburo, similarmente, un generador de PM requiere menos momento de torsión durante el arranque, " que también disminuye el requerimiento de caballos de fuerza para el motor de CI del sistema. El tamaño del motor de CI puede ser reducido y la salida eléctrica puede ser mantenida o el tamaño del motor de CI puede ser mantenido y la salida eléctrica puede ser incrementada, lo que a su vez permite el subdimensionamiento de las clasificaciones de los circuitos y componentes de energía de refuerzo de batería.

Otra ganancia en eficiencia relacionada con el vehículo de remolque pesados es el ahorro de peso en el tren impulsor global cuando se usa un generador de PM. Por ejemplo, una máquina de generación de energía electromagnética típica usada en la emisión puede pesar alrededor de 835 libras para una salida eléctrica de 125 KW y requiere un motor de CI de combustible de hidrocarburo de alrededor de 197 caballos de fuerza. Un generador de imán permanente puede producir una salida eléctrica de 200 KW con el mismo motor de CI de 197 caballos de fuerza de combustible de hidrocarburo y pesa solo alrededor de 255 libras. Tales ahorros de peso de 580 libras en un vehículo -comercial permitirían que el operador del vehículo porte este peso en la carga adicional, incrementando mediante esto el potencial de ganancia de cada viaje El uso de un generador de PM en el diseño híbrido no necesita la incorporación de elementos de control de arranque adicionales para superar el posicionamiento de partida requerido de una máquina de PM típica. Una máquina de PM comúnmente girara a una posición de partida establecida en relación con una posición de rotor establecida con el fin de arrancar apropiadamente. Esta característica de una máquina de PM es controlada simplemente en el sistema de la presente invención mediante la operación independiente de la maquina eléctrica del sistema impulsor del vehículo.

Los siguientes ejemplos ilustran varios aspectos de la presente invención ¦ y no pretenden limitar el alance de la invención .

Ejemplo 1 Un camión T Mack 198.9 fue convertido de un camión tipo motor a diesel convencional a un sistema de propulsión híbrido en serie eléctrico de combustible de hidrocarburo 8 de la presente invención. La etapa 1 es la remoción de componentes innecesarios en el camión T Mack 1989. En la etapa 2, el radiador, motor, transmisión, tanques de combustible y árbol impulsor del camión Mack 1989 son removidos para el proceso de conversión. La etapa 3 es la instalación del motor eléctrico de CA 32 del árbol impulsor 33. Un ejemplo de un motor eléctrico de CA 32 está disponible bajo la designación L1431A Inverter Duty manufacturado por Reliance Elect. La etapa 4 es la alineación del tren impulsor con el diferencial posterior 34. En la etapa 5, un gen-set GS que es preparado para instalación. La etapa 6 es la instalación motor a diesel 14 y generador de CA 20. Un ejemplo de un motor de CI de combustible de hidrocarburo 14 está disponible bajo el número de modelo 4045T manufacturado por John Deere. Un ejemplo de un generador de CA 20 está disponible bajo el número de modelo 363PSL3127 manufacturado por Marathón Electric. En la etapa 7, los tanques de combustible diesel 16 y 18 y paquetes de batería 26 y 28 son probados para un ajuste apropiado. La etapa 8 es la instalación de los tanques de combustible diesel 16 y 18 de los paquetes de batería 26 y 28. Un ejemplo de una batería que comprende placas de pared delgadas apropiadas para uso en los paquetes de batería 26 y 28 están disponibles bajo el número de modelo 24MS-6 manufacturado por Ever Start. La etapa 9 es la instalación de los componentes de control de alto voltaje (HVC) y el controlador del motor de CA/CD 22. Un ejemplo de un controlador de CA/CD 22 está disponible bajo el número de modelo GV3000/SE manufacturado por Reliance Elect. En la etapa 10, se hacen las conexiones del generador de CA 20 y motor impulsor eléctrico 32 y son probadas. En la etapa 11, el cableado de control es integrado al cableado de camión original. La etapa 12 es la instalación de los circuitos del controlador de CA/CD 22. En la etapa 13 los paquetes de batería 26 y 28 son cableados e instalados. La etapa 14 da como resultado un paquete de baterías completo 26, 28. La etapa 15 es la instalación del sistema de ventilación y sistema de enfriamiento de circulación de electrolito para los paquetes de batería 26 y 28. La etapa 16 es la instalación del múltiple de enfriamiento circulante de electrolito y bomba para los paquetes de batería 26 y 28. Un ejemplo de un sistema de circulación de electrolito 48 es un sistema de irrigación modificado producido por Toyota Fork Lift División disponible bajo el número de modelo 6v2210. Las etapas 17 y 18 son la electrificación de una unidad de dirección hidráulica y el sistema de frenos de aire 50, respectivamente. En la etapa 19 el camión T es preparado para pintura. La etapa 20 es el camión T en su estado completo.} La Tabla 1 a continuación resume los resultados de prueba del vehículo descrito anteriormente. Como se puede ver, se obtuvo una eficiencia de combustible de más de 6.4 Km/litro (15 millas por galón) para el vehículo, versus una eficiencia de combustible de alrededor de 2.3 Km/litro (5.5 millas por galón) antes del vehículo fuera equipado retroactivamente .

Tabla 1 Registro de viaje de prueba La presente invención provee muchas ventajas con respecto al arte previo. La eficiencia del combustible es incrementada significativamente con respecto a vehículos impulsados a diesel convencionales, por ejemplo el kilometraje puede ser mayor de 4.2 Km/litro (10 millas por galón) a 6.4 Km/litro (15 millas por galón), con la eficiencia de combustible siendo por lo menos 100 0 150 por ciento mayor que la eficiencia del mismo vehículo equipado con un motor a diesel estándar.

Otra ventaja de usar los paquetes de batería de CD 26 y 28 en el sistema 8 de la invención es la reducción de contaminantes de plomo que son en general liberados al medio ambiente con el tipo de paquetes de baterías usados en los sistemas de propulsión híbridos en serie eléctricos a diesel de hoy en día. La presente invención usa paquetes de baterías que tienen placas de plomo delgadas en las celdas individuales en lugar de las placas de plomo gruesas usadas normalmente en una celda de descarga profunda. A medida que los vehículos eléctricos se vuelven más prevalecientes en la industria de transportación, la mayoría de los diseños están basados en paquetes de baterías con capacidad de descarga profunda con el fin de mejorar la energía y distancias de manejo. Esto se lleva a cabo al usar las placas de plomo más gruesas integradas a las celdas individuales de los paquetes de baterías u al usar placas de metal fabricadas de nuevos materiales exóticos que desplazan las placas de plomo, como se discute anteriormente. La presente invención usa paquetes de baterías que tienen placas de plomo delgadas en las celdas individuales que están diseñadas para llevar a cabo velocidades de descarga y carga rápidas.

Aunque el plomo de las baterías en los Estados Unidos de América se aproxima a una proporción de reciclado del 80 por ciento, un uso incrementado de estas baterías para proveer energía en sistemas de propulsión de vehículos eléctricos complicara el problema de reciclado del contenido de plomo de las baterías a medida que esos tipos de trenes impulsores se vuelvan más aceptables en el mercado. La presente invención hace uso de placas de plomo delgadas dentro de las celdas individuales en lugar de las placas de plomo gruesas usadas comúnmente en baterías de tracción de descarga profunda, reduciendo así la cantidad de contenido de plomo que necesita ser reciclado a media que los trenes impulsores eléctricos se vuelvan más prevalecientes.

La invención también tiene el beneficio adicional de reducir las emisiones de N0X asociadas con los vehículos de clase 8 DOT. Comenzando el año 2010, las agencias de control del aire federales y estatales de los Estados Unidos de América están promulgando controles de emisiones de NOx severas en todos los vehículos clase 8 que operan con trenes impulsores impulsados por diesel. La mayoría de los fabricantes de semicamiones clase 8 en el mundo han desarrollado tecnología utilizando convertidores catalíticos del sistema de escape para cumplir con los requerimientos de la EPA de 2010 para reducir las emisiones de NOx. Otros fabricantes están usando soluciones químicas tales como urea para cumplir con los requerimientos de la EPA venideros para reducir las emisiones de NOx. Estos desarrollos recientes, aunque reducen la cantidad de emisiones de NOx liberadas durante la operación normal de un vehículo clase 8 DOT, son caros y se suman a la complejidad de peso del sistema impulsor global. Un medio para reducir las emisiones de NOx de un motor de CI energizado por combustible de hidrocarburo es por medio de la manipulación de los ajustes de sincronización del combustible. Mientras que este método puede ser efectivo para reducir las emisiones de NOx, tiene un efecto perjudicial sobre el desempeño de un motor de CI, particularmente cuando se requiere que opere a intervalos de curva de potencia y RPM variables.

Además de reducir las emisiones de N0X, los sistemas de la presente invención también reducen significativamente las emisiones de C02 en virtud del hecho de que menos combustible de hidrocarburo es quemado durante la operación de los vehículos. Se ha encontrado que los sistemas comúnmente reducen las emisiones de C02 por lo menos 50 por ciento y pueden reducir tales dimensiones por al menos 35 por ciento en algunos casos.

El sistema de tren impulsor de la invención es más confiable que los sistemas impulsores de CI de hoy en día en que muchas partes y dispositivos mecánicos móviles son reemplazados con control de flujo de electrones, esto es, dispositivos eléctricos que no son sometidos a desgaste mecánico y desgarramiento. La invención, como se describe, tiene menos componentes principales en comparación con los sistemas de propulsión de hoy en día y estos componentes del sistema 8 de la invención pueden tener una vida de alrededor de 500,000 horas en aplicaciones industriales.

Mientras que modalidades particulares de esta invención han sido descritas anteriormente por propósitos de ilustración, será evidente para aquellos experimentados en el arte que se pueden hacer variaciones de los detalles de la presente invención sin desviarse de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo caracterizado porque comprende: un motor de combustible de hidrocarburo; un generador de CA energizado por el motor de combustible de hidrocarburo; por lo menos una batería de CD; un controlador de CA/CD y un motor eléctrico de CA conectado impulsadamente a un tren impulsor del vehículo, en donde el generador de CA y la por lo menos una batería de CD proveen entrada al controlador de CA/CD y el controlador de CA/CD convierte la entrada CD de la por lo menos una batería de. CD a CA y emite CA al motor eléctrico de CA para impulsar el tren impulsor del vehículo.

2. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un controlador de computadora de carga pulsada de CD conectado al controlador del motor de CA/CD y a la por lo menos una batería de CD.

3. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además medios para controlar la temperatura de por lo menos una batería de CD.

4. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 3, caracterizado porque la temperatura de la por lo menos una batería de CD es mantenida dentro de una temperatura de 20 a 35 grados centígrados.

5. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 13, caracterizado porque la temperatura de la por lo menos una batería de CD es mantenida dentro un intervalo de . ± 2°C de una temperatura de batería óptima.

6. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un sistema de bombeo de electrolito conectado a la por lo menos una batería de CD para calentar y enfriar un electrolito de la por lo menos una batería de CD para mantener un intervalo de temperatura óptimo del electrolito de la por lo menos una batería de CD.

7. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque la por lo menos una batería de CD comprende celdas de plomo ácido inundadas placas delgada.

8. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un circuito de debilitamiento de fluido conectado al generador de CA.

9. El sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1, caracterizado porque el vehículo es un vehículo clase 8 DOT apto de operar bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista.

10. Un vehículo caracterizado porque es energizado por el sistema de propulsión híbrido de la reivindicación 1.

11. Un vehículo clase 8 DOT que tiene un sistema de propulsión híbrido, caracterizado porque comprende: . un motor de combustible de hidrocarburo; un generador de CA energizado por el motor de combustible de hidrocarburo; por lo menos una batería de CD; un controlador de CA/CD conectado al generador de CA y la por lo menos una batería de CD y un motor eléctrico de CA conectado al controlador de CA/CD y en acoplamiento impulsor con un tren impulsor del vehículo, en donde el vehículo de clase 8 DOT es apto de operar a una velocidad de por lo menos 80 Km (50 millas) por al menos 5 horas.

12. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque el vehículo es apto de . ponerse en operación a una velocidad de por lo menos 88.5 Km/h (55 millas por hora) por al menos 8 horas.

13. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque el vehículo tiene una eficiencia de combustible mayor de 4.2 Km/litro (10 millas por galón) .

14. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque el vehículo tiene una eficiencia de combustible mayor de 6.4 Km/litro (15 millas por galón) .

15. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque el vehículo tiene una eficiencia de combustible de por lo menos 100 por ciento mayor que la eficiencia de combustible que el vehículo ocupado con un motor a diesel estándar.

16. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque el controlador de CA/CD convierte la entrada de CD de la por lo menos una batería de CD a CA y emite CA al motor eléctrico de CA para impulsar el tren de potencia del vehículo.

17. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 11, caracterizado porque comprende además medios para controlar la temperatura de la por lo menos una batería de CD.

18. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 17, caracterizado porque la temperatura de la por lo menos una batería de CD es mantenida dentro de una temperatura de 20 a 35°C.

, 19. El vehículo clase 8 DOT de la reivindicación 17, caracterizado porque la temperatura de la por lo menos una batería de CD es mantenida dentro de un intervalo de ± 2°C de una temperatura de batería óptima.

20. Un arreglo de batería para un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo bajo condiciones de carga normal y a velocidades de autopista, caracterizado porque comprende por lo menos una batería y medios para controlar la temperatura de la por lo menos una batería.

21. El arreglo de batería de la reivindicación 20, caracterizado porque la por lo menos una batería comprende un electrolito y medios de control de temperatura que incluyen medios para controlar la temperatura del electrolito.

22. El arreglo de batería de la reivindicación 20, caracterizado porque el electrolito es bombeado a través de por lo menos una batería.

23. El arreglo de batería de la reivindicación 22, caracterizado porque la por lo menos una batería comprende celdas de plomo ácido inundadas de placa delgada.

24. El arreglo de batería de la reivindicación 20, caracterizado porque los medios para controlar la temperatura de la por lo menos una batería comprenden un fluido de transferencia de calor que rodea la por lo menos una batería.

25. El arreglo de batería de la reivindicación 24, •caracterizado porque la por lo menos una batería está contenida en un forro que tiene una superficie exterior en contacto con el fluido de transferencia de calor.

26. · El arreglo de batería de la reivindicación 24, caracterizado porque el fluido de transferencia de calor se hace recircular alrededor de la por lo menos una batería.

27. Un sistema de propulsión híbrido para energizar un vehículo caracterizado porque comprende una plataforma de generación de energía construida y dispuesta para producir cantidades utilizables de gas hidrógeno para uso como complemento de combustible por un motor de combustible de hidrocarburo en el sistema de propulsión híbrido.