ES2333708T3 - Procedimiento y dispositivo de arranque de un motor termico en un vehiculo hibrido en serie. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo de arranque de un motor termico en un vehiculo hibrido en serie. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de arranque de un motor térmico (11) de un vehículo híbrido (10), siendo capaz dicho motor térmico de proporcionar un par motor a un árbol motor (14) unido a las ruedas (20) del vehículo, estando una máquina eléctrica (13) acoplada al árbol motor y proporcionando un par de ayuda al árbol motor de sentido igual o contrario al par motor, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes: - comparar una temperatura representativa de la temperatura del motor térmico con un primer umbral; y - accionar el motor térmico mediante la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es superior al primer umbral, o mediante un arrancador (27) distinto de la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es inferior al primer umbral; - comparar la temperatura representativa con un segundo umbral, inferior al primer umbral; y - alimentar al arrancador (27) mediante una primera batería (26), si la temperatura representativa es inferior al segundo umbral, o mediante la asociación de la primera batería y de una segunda batería (22), dedicada normalmente a la alimentación de la máquina eléctrica (13), si la temperatura representativa está comprendida entre el segundo umbral y el primer umbral.

Description

Procedimiento y dispositivo de arranque de un motor térmico en un vehículo híbrido en serie.
El presente invento se refiere a un procedimiento y un dispositivo de arranque de un motor térmico de un vehículo híbrido en serie.
Un vehículo híbrido en serie comprende un motor térmico acoplado en serie con una máquina eléctrica. El motor térmico y la máquina eléctrica pueden proporcionar cada uno un par al árbol del motor térmico para el accionamiento de las ruedas del vehículo.
La máquina eléctrica está unida a una batería. Alimentada por la batería, la máquina eléctrica se comporta como un motor eléctrico y proporciona un par que se suma al par del motor térmico. La máquina eléctrica puede también proporcionar un par que se oponga al par del motor térmico. Dicha máquina eléctrica se comporta entonces como un alternador, carga la batería y proporciona corriente a la red eléctrica de a bordo.
La máquina eléctrica ayuda al motor térmico en sus diferentes fases de funcionamiento y permite mejorar las prestaciones del motor térmico y disminuir globalmente el consumo de carburante del mismo. En concreto, el motor térmico se arranca generalmente por medio de la máquina eléctrica. Por ejemplo, la máquina eléctrica puede hacer girar al árbol del motor térmico hasta un régimen determinado. En ese momento, un calculador de control de inyección del motor térmico ordena una inyección máxima de carburante en las cámaras de combustión del motor térmico, y regula a continuación la inyección para que el régimen del motor térmico se estabilice en un régimen de ralentí.
En el arranque del motor térmico, éste presenta un par resistente que disminuye cuando la temperatura del motor térmico aumenta. A modo de ejemplo, para un motor diésel clásico, para temperaturas próximas a -25ºC se pueden alcanzar pares resistentes del orden de 200 Nm.
La publicación EP 1101649 A2 describe el arranque de un motor seleccionando entre la máquina eléctrica y un arrancador.
Para bajas temperaturas, la batería que alimenta a la máquina eléctrica ya no puede proporcionar la potencia necesaria para que la máquina eléctrica produzca un par suficiente para el accionamiento del motor térmico. En ese caso, el arranque del motor térmico se puede ver comprometido.
El presente invento tiene como objetivo proporcionar un procedimiento y un dispositivo de arranque del motor térmico que permitan garantizar el arranque de dicho motor térmico a bajas temperaturas.
Para lograr este objetivo, el presente invento proporciona un procedimiento de arranque de un motor térmico de un vehículo híbrido, siendo capaz dicho motor térmico de proporcionar un par motor a un árbol motor unido a las ruedas del vehículo, estando una máquina eléctrica acoplada al árbol motor y proporcionando dicha máquina eléctrica un par de ayuda al citado árbol motor de sentido igual o contrario al par motor, comprendiendo dicho procedimiento las etapas consistentes en comparar una temperatura representativa de la temperatura del motor térmico con un primer umbral; y accionar el motor térmico mediante la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es superior al primer umbral, o mediante un arrancador distinto a la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es inferior al primer umbral, comprendiendo además el procedimiento las etapas consistentes en comparar la temperatura representativa con un segundo umbral, inferior al primer umbral; y alimentar al arrancador por medio de una primera batería, si la temperatura representativa es inferior al segundo umbral, o por medio de la asociación de la primera batería y de una segunda batería, normalmente dedicada a la alimentación de la máquina eléctrica, si la temperatura representativa está comprendida entre el segundo umbral y el primer umbral.
De acuerdo con una realización del invento, el primer umbral depende del sentido de variación de la temperatura representativa.
De acuerdo con una realización del invento, el segundo umbral depende del sentido de variación de la temperatura representativa.
De acuerdo con una realización del invento, la temperatura representativa es la temperatura de un líquido de refrigeración del motor térmico.
El presente invento proporciona también un vehículo híbrido que comprende un motor térmico capaz de proporcionar un par motor a un árbol motor unido a las ruedas del vehículo, y una máquina eléctrica acoplada al árbol motor y que proporciona un par de ayuda a dicho árbol motor de sentido igual o contrario al par motor, que comprende un arrancador que se puede acoplar temporalmente al árbol motor, un medio de determinación de una temperatura representativa de la temperatura del motor térmico, y un medio de selección adaptado para seleccionar, con el fin de accionar el árbol motor durante el arranque del motor térmico, la máquina eléctrica si la temperatura representativa es superior a un primer umbral, o el arrancador si la temperatura representativa es inferior al primer umbral, siendo alimentado el arrancador por una primera batería de una primera tensión nominal, y siendo alimentada la máquina eléctrica por una segunda batería de una segunda tensión nominal superior a la primera tensión nominal, estando unida la segunda batería al arrancador a través de un convertidor de tensión, y el medio de selección activa el convertidor de tensión con el fin de que la segunda batería alimente al arrancador junto con la primera batería si la temperatura representativa es inferior al primer umbral y superior a un segundo umbral inferior al primer umbral, y desactiva el convertidor de tensión si la temperatura representativa es inferior al segundo umbral.
De acuerdo con una realización del invento, un medio de detección está adaptado para transmitir al medio de selección una señal que indica si el arrancador está operativo, seleccionando dicho medio de selección de manera sistemática la máquina eléctrica para accionar el árbol motor durante el arranque del motor térmico si la señal emitida por el medio de detección indica que el arrancador no está operativo.
De acuerdo con una realización del invento, el motor térmico está refrigerado mediante la circulación de un líquido de refrigeración, siendo la temperatura representativa la temperatura del líquido de refrigeración.
Este objetivo, estas características y ventajas, así como otras del presente invento se expondrán en detalle en la descripción siguiente de realizaciones concretas que se hace a título no limitativo en relación con las figuras adjuntas, entre las cuales:
la figura 1 representa, de forma esquemática, un ejemplo de arquitectura de un vehículo híbrido en serie; y
la figura 2 representa un ejemplo de una realización, en forma de organigrama, del procedimiento de arranque de motor térmico de acuerdo con el invento.
Como se representa en la figura 1, el vehículo híbrido 10 comprende un motor térmico 11 asociado a un volante motor 12. Un sistema de refrigeración, no representado, garantiza la refrigeración del motor térmico 11 mediante la circulación de un fluido de refrigeración, por ejemplo agua. Una máquina eléctrica 13 está acoplada al árbol motor 14. El árbol motor 14 está unido a un embrague 16 el cual, cuando se acciona, acopla el árbol motor 14 a un árbol 17 de entrada de una cadena 18 de transmisión. La cadena 18 de transmisión comprende, por ejemplo, una caja de cambios y un puente divisor. La velocidad de giro del árbol 19 de salida de la cadena 18 de transmisión coincide con la velocidad de giro del árbol 17 de entrada multiplicada por la relación de reducción global de la cadena 18. El árbol 19 de salida está unido a las ruedas 20 del vehículo. La caja de cambios puede ser una caja de cambios manual clásica, una caja de cambios robotizada, una caja de cambios automática, una caja continuamente variable, etc. Según el tipo de caja de cambios el embrague 16 puede ser automático o ser accionado por el conductor. El vehículo híbrido 10 puede comprender en el conducto de escape para la evacuación de los gases de escape del motor térmico 11 un catalizador no representado.
La máquina eléctrica 13 está unida a una batería 22 de alta tensión a través de un convertidor 24 continua-alterna. La máquina 13 eléctrica puede funcionar como un alternador y cargar la batería 22 de alta tensión y proporcionar corriente a la red eléctrica de a bordo, o bien puede funcionar como un motor eléctrico alimentado por la batería 22 de alta tensión para accionar el árbol motor 14.
La batería 22 de alta tensión está unida a una batería 26 de baja tensión a través de un convertidor 28 continua-continua. El convertidor 28 continua-continua puede estar adaptado para limitar la intensidad de la corriente proporcionada por la batería 22 de alta tensión. Este límite puede ser función de las tensiones y temperaturas de las baterías 22 y 26. La batería 26 de baja tensión proporciona corriente a una red eléctrica de a bordo de baja tensión del vehículo (no representada) para la alimentación de equipos clásicos del vehículo 10 (por ejemplo, la climatización, la limpieza, la calefacción, etc.). La batería 26 de baja tensión alimenta también a un arrancador 27 clásico que puede accionar el árbol motor 14. Eventualmente, la batería 22 de alta tensión puede proporcionar corriente a una red eléctrica de a bordo de alta tensión para la alimentación de ciertos equipos específicos del vehículo que demandan una potencia grande, como por ejemplo resistencias de calentamiento, una dirección asistida, el calentamiento eléctrico del catalizador, etc. A modo de ejemplo, la batería 26 de baja tensión presenta una tensión media de 12 voltios, y la batería 22 de alta tensión es una batería de potencia de tipo NimH (Níquel - Hidruro metálico) de tensión media de 42 voltios.
El vehículo híbrido 10 comprende varios calculadores 30, 32, 34, 36 que controlan los diferentes elementos del vehículo híbrido. Los calculadores 30, 32, 34, 36 pueden intercambiar datos entre sí a través de un bus 38 de intercambio de datos.
Un calculador 30 de control del motor térmico 11 está adaptado para controlar, por ejemplo, la inyección en las cámaras de combustión del motor térmico 11 a partir de parámetros de funcionamiento del motor térmico 11.
Un calculador 32 de control de la máquina eléctrica 13 está adaptado para transmitir a la máquina eléctrica 13 una orden de acoplamiento a partir de parámetros de funcionamiento de la máquina eléctrica 13.
Un calculador 34 de control de las baterías 22, 26 está adaptado para, a partir de parámetros de funcionamiento de las baterías 22 de alta tensión y 26 de baja tensión, entre otras cosas, emitir una señal de alarma cuando no se cumplen ciertas condiciones de buen funcionamiento de las baterías 22, 26.
Un calculador 36 de supervisión puede controlar a los calculadores 30, 32, 34 con el objetivo de garantizar prestaciones concretas, algunas de las cuales se describen a continuación. En concreto, el calculador 36 de supervisión puede controlar al calculador 32 de control de la máquina eléctrica 13 para activar o desactivar el convertidor 28 continua-continua y el convertidor 24 continua-alterna de la máquina eléctrica 13. El calculador 36 de supervisión recibe además una señal emitida por el calculador 30 de control del motor térmico 11 representativa de la temperatura del agua de refrigeración de dicho motor térmico 11, llamada a partir de ahora temperatura del agua del motor. Preferentemente, la temperatura del agua del motor se mide aguas abajo del motor térmico 11 según el sentido de circulación del agua. El calculador 36 de supervisión recibe además una señal que indica que el conductor solicita un arranque del motor térmico 11. Una señal de este tipo puede ser emitida, por ejemplo, por un captador que indica que una llave accionada por el conductor está en una posición específica, o por un botón de arranque presente en el puesto de conducción del vehículo en el caso de un vehículo sin llave, etc.
La figura 2 representa las diferentes etapas de una realización del procedimiento, de acuerdo con el invento, de arranque del motor térmico 11 del vehículo 10.
En la etapa 40, el calculador 36 de supervisión detecta una acción ejercida por el conductor sobre la llave del vehículo.
En la etapa 41, el calculador 36 de supervisión determina la temperatura del agua del motor y la compara con una temperatura umbral.
En la etapa 42, correspondiente a una temperatura del agua del motor superior a una temperatura umbral de -1ºC, el calculador 36 de supervisión determina si la máquina eléctrica 13 está operativa. En caso afirmativo el procedimiento continúa en la etapa 43 y, en caso negativo, en la etapa 44.
En la etapa 43, el calculador 36 de supervisión ordena el arranque del motor térmico 11 por medio de la máquina eléctrica 13, alimentada por la batería 22 de alta tensión, que hace girar al árbol 14 motor. El control de la máquina eléctrica 13 se obtiene mediante una consigna de par proporcionada por el calculador 36 de supervisión, en función de una consigna de régimen de la máquina térmica 11 proporcionada por el calculador 30 del motor térmico. A modo de ejemplo, la máquina eléctrica 13 hace girar al árbol 14 del motor térmico 11 hasta un régimen determinado. En ese momento, el calculador 30 del motor térmico ordena una inyección máxima, y regula a continuación la inyección para que el régimen del motor térmico 11 se estabilice en un régimen de ralentí.
En la etapa 44, el calculador 36 de supervisión ordena el arranque del motor térmico 11 por medio del arran-
cador 27.
En la etapa 45, correspondiente a una temperatura del agua del motor inferior o igual a -1ºC, el calculador 36 de supervisión determina si el arrancador 27 está operativo. En caso afirmativo, y si la temperatura del agua del motor es inferior a una temperatura umbral de -24ºC, el procedimiento continúa en la etapa 46. En caso afirmativo, y si la temperatura del agua del motor es mayor o igual a -24ºC, el procedimiento continúa en la etapa 47. En caso negativo, y si la temperatura del agua del motor es superior a una temperatura umbral de -8ºC, el procedimiento continúa en la etapa 48. En caso negativo, y si la temperatura del agua del motor es inferior a una temperatura umbral de -8ºC, no hay intento de arranque.
En la etapa 46, el calculador 36 de supervisión ordena el arranque del motor térmico 11 por medio del arrancador 27. El convertidor 28 continua-continua está desactivado. Por lo tanto el arrancador 27 está alimentado únicamente por la batería 26 de baja tensión.
En la etapa 47, el calculador 36 de supervisión controla al calculador 32 de la máquina eléctrica para que active el convertidor 28 continua-continua entre las baterías 22 de alta tensión y 26 de baja tensión y determina si la activación del convertidor 28 continua-continua ha tenido éxito. En caso afirmativo, el procedimiento continúa en la etapa 49. En caso negativo, el arranque tiene lugar sin ayuda de la batería 22 de alta tensión.
En la etapa 49, el calculador 36 de supervisión efectúa el arranque del motor térmico 11 por medio del arrancador 27. El convertidor 28 continua-continua está activado. El arrancador 27 es alimentado por la batería 26 de baja tensión que puede recibir energía eléctrica proporcionada por la batería 22 de alta tensión. A modo de ejemplo, el arrancador 27 hace girar al árbol 14 del motor térmico 11 hasta un régimen determinado. En ese momento, el calculador 30 del motor térmico ordena una inyección máxima, y regula a continuación la inyección para que el régimen del motor térmico se estabilice en un régimen de ralentí.
En la etapa 48, el calculador 36 de supervisión determina si la máquina eléctrica 13 está operativa. En caso afirmativo, el procedimiento continúa en la etapa 50. En caso negativo, no hay intento de arranque.
En la etapa 50, el calculador 36 de supervisión ordena el arranque de la máquina térmica 11 con la ayuda de la máquina eléctrica 13. La máquina eléctrica 13 es alimentada únicamente por la batería 22 de alta tensión. De forma clásica, si el motor térmico 11 no ha arrancado al cabo de un tiempo determinado (pudiendo detectarse esto mediante una medida del régimen del motor térmico 11), el calculador 36 de supervisión proporciona al conductor, por medio de una interfaz presente en el tablero de a bordo, una señal que indica que el arranque del motor térmico 11 ha
fracasado.
La temperatura del agua del motor térmico 11 se utiliza como criterio de selección del órgano de arranque del motor térmico 11 ya que dicha temperatura es poco sensible a las variaciones bruscas de temperatura exterior, y es representativa de la temperatura real del motor térmico 11.
El presente invento permite garantizar las condiciones más favorables para el arranque del motor térmico 11 de un vehículo 10 híbrido en serie a pesar de las bajas temperaturas del motor térmico 11.
En el caso en que la temperatura esté comprendida entre -24ºC y -1ºC, se considera que las degradaciones de las propiedades de la batería 22 de alta tensión y de la máquina eléctrica 13 y el aumento del par resistente del motor térmico 11 son tales que hay riesgo de que un arranque del motor térmico 11 con la máquina eléctrica 13 fracase. El arranque está entonces garantizado por el arrancador 27, y la batería 22 de alta tensión ayuda a la batería 26 de baja tensión, a través del convertidor 28 continua-continua, para la alimentación del arrancador 27. Aunque las propiedades de la batería 22 de alta tensión estén degradadas a temperaturas tan bajas, la intensidad solicitada a la batería 22 de alta tensión, para la alimentación del arrancador 27, sigue siendo muy inferior a la proporcionada por la batería 26 de baja tensión, dadas las relaciones de las tensiones en los bornes del convertidor 24 continua-continua. A modo de ejemplo, para una relación de tensiones de aproximadamente 4, si la necesidad de corriente del arrancador 27 es del orden de 200 A en sus bornes, la corriente proporcionada por la batería 26 de baja tensión será del orden de 100 A y la proporcionada por la batería 22 de alta tensión será del orden de 25 A.
De acuerdo con una variante del invento, se aplica un ciclo de histéresis alrededor de las temperaturas umbral para evitar un funcionamiento inestable del calculador 36 de supervisión cuando la temperatura del agua del motor es próxima a una temperatura umbral. Se selecciona entonces el arrancador 27 para el arranque del motor térmico 11 cuando la temperatura baja, por ejemplo, por debajo de -3ºC y se selecciona la máquina eléctrica 13 cuando la temperatura sube por encima de +1ºC. De forma análoga, el convertidor 28 continua-continua no se activa cuando la temperatura baja, por ejemplo, por debajo de -24ºC, y el convertidor 28 continua-continua se activa cuando la temperatura sube por encima de -21ºC. Además, durante un mal funcionamiento del arrancador 27, se fuerza el arranque en la máquina eléctrica 13 cuando la temperatura sube, por ejemplo, por encima de -5ºC, y no hay intento de arranque cuando la temperatura baja por debajo de -9ºC.
De acuerdo con una variante del invento, el calculador 34 de control de las baterías 22, 26 emite una señal de alarma, en el bus 38 de datos, cuando la temperatura de la batería 22 de alta tensión es inferior a una temperatura determinada y/o cuando el estado de carga de la batería 22 de alta tensión es inferior a un estado de carga determinado. Además, el calculador 32 de la máquina eléctrica emite una alarma, en el bus 38 de datos, durante un mal funcionamiento de la máquina eléctrica 13. Antes de la etapa 41, el calculador 36 de supervisión verifica si ha recibido alarmas del calculador 34 de las baterías o del calculador 32 de la máquina eléctrica. En caso negativo, el procedimiento continúa en la etapa 41 como se ha descrito anteriormente. En caso afirmativo, el motor térmico 11 se arranca con el arrancador 27 alimentado por la batería 26 de baja tensión. Si el arrancador 27 no está operativo, no se realiza entonces ningún intento de arranque del motor térmico 11 y el calculador 36 de supervisión proporciona al conductor una señal que indica que el arranque del motor térmico ha fracasado.
Por supuesto, el presente invento es susceptible de diversas variantes y modificaciones que resultarán evidentes para el experto en la técnica. En concreto, se han descrito un cierto número de calculadores distintos que reciben cada uno señales concretas y que realizan cada uno acciones específicas. Resulta evidente que este número podría ser diferente, pudiendo realizar un único calculador, por ejemplo, las funciones de varios calculadores antes descritos.

Claims (7)

1. Procedimiento de arranque de un motor térmico (11) de un vehículo híbrido (10), siendo capaz dicho motor térmico de proporcionar un par motor a un árbol motor (14) unido a las ruedas (20) del vehículo, estando una máquina eléctrica (13) acoplada al árbol motor y proporcionando un par de ayuda al árbol motor de sentido igual o contrario al par motor, comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:
- comparar una temperatura representativa de la temperatura del motor térmico con un primer umbral; y
- accionar el motor térmico mediante la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es superior al primer umbral, o mediante un arrancador (27) distinto de la máquina eléctrica, si la temperatura representativa es inferior al primer umbral;
- comparar la temperatura representativa con un segundo umbral, inferior al primer umbral; y
- alimentar al arrancador (27) mediante una primera batería (26), si la temperatura representativa es inferior al segundo umbral, o mediante la asociación de la primera batería y de una segunda batería (22), dedicada normalmente a la alimentación de la máquina eléctrica (13), si la temperatura representativa está comprendida entre el segundo umbral y el primer umbral.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el primer umbral depende del sentido de variación de la temperatura representativa.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el segundo umbral depende del sentido de variación de la temperatura representativa.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la temperatura representativa es la temperatura de un líquido de refrigeración del motor térmico (11).
5. Vehículo híbrido (10) que comprende un motor térmico (11) capaz de proporcionar un par motor a un árbol motor (14) unido a las ruedas (20) del vehículo, y una máquina eléctrica (13) acoplada al árbol motor y que proporciona un par de ayuda a dicho árbol motor de sentido igual o contrario al par motor, que comprende un arrancador (27) que se puede acoplar temporalmente al árbol motor, un medio de determinación de una temperatura representativa de la temperatura del motor térmico, y un medio (36) de selección adaptado para seleccionar, con el fin de accionar al árbol motor durante el arranque del motor térmico, la máquina eléctrica si la temperatura representativa es superior a un primer umbral, o el arrancador si la temperatura representativa es inferior al primer umbral, y caracterizado por que el arrancador (27) es alimentado por una primera batería (26) de una primera tensión nominal, siendo alimentada la máquina eléctrica por una segunda batería (22) de una segunda tensión nominal superior a la primera tensión nominal, estando la segunda batería unida al arrancador a través de un convertidor (28) de tensión, activando el medio (36) de selección el convertidor de tensión de manera que la segunda batería alimente al arrancador junto con la primera batería si la temperatura representativa es inferior al primer umbral, y desactivando el convertidor de tensión si la temperatura representativa es inferior al segundo umbral.
6. Vehículo híbrido (10) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual un medio de detección está adaptado para transmitir al medio (36) de selección una señal que indica si el arrancador (27) está operativo, seleccionando de forma sistemática el medio de selección la máquina eléctrica (13) para accionar el árbol motor (14) durante el arranque del motor térmico (11) si la señal emitida por el medio de detección indica que el arrancador no está operativo.
7. Vehículo híbrido (10) de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual el motor térmico (11) es refrigerado por la circulación de un líquido de refrigeración, siendo la temperatura representativa del líquido de refrigeración.
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