Evolução do sistema de carga da bateria com monitoramento de carregamento inteligente

Na edição de novembro de 2017 exploramos o sistema de carga convencional, seu princípio de funcionamento, componentes e procedimentos de diagnóstico.

Nesta Matéria vamos apresentar a evolução deste sistema.

1. Descrição do Sistema

É o sistema responsável pela integração entre o Módulo Alternador Inteligente (IAM) e as centrais eletrônicas relacionadas ao seu funcionamento, amplamente utilizado nos atuais projetos de veículo que visam a atender objetivos de eficiência energética e basicamente formado pelo módulo alternador inteligente (IAM), pela central de Controle de injeção (ECM) e módulo de controle da carroceria (BCM)

2. Objetivos

O sistema visa otimizar a gestão energética do veículo, tornando menor o consumo de energia do motor e consequentemente menor o consumo de combustível e menor nível de emissões. A ideia é fazer com que o alternador não solicite ao motor uma quantidade de energia maior que o necessário, otimizando sua função de carga e mantendo o mesmo em estado de carga ótima.

Além de garantir este estado o sistema também é capaz de aproveitar energia advinda das frenagens do veículo para recarga da bateria (Regenerative Braking) e requisitar menor nível de energia do motor em casos de alta demanda de torque por parte do usuário (Passive Boost).

3. Vantagens

· Permite utilizar apenas a energia necessária do motor;

· Otimiza a dirigibilidade principalmente em situações que exigem maior torque do motor;

 · Preserva sistemas como o Start&Stop controlando quantidade de carga da bateria e tensão requerida;

 · Possibilita a realização de diagnose detalhada.

4. Lógica de Controle

O controle lógico do sistema é feito a partir de várias funções que trabalham em conjunto. Tais funções são estratégias que se baseiam nas condições que o veículo se encontra, seja em relação a situação de marcha, cargas requeridas e estados de carga da bateria.

As alterações internas do controle são feitas por meio de variáveis, capazes de modificar os parâmetros de funcionamento do módulo alternador inteligente (IAM).

A variação desses parâmetros é definida pelo módulo de controle do motor (BCM) e pela central de controle de injeção (ECM).

O funcionamento do alternador é controlado pelo regulador de tensão, que varia a excitação do estator; um valor de tensão mais alto no regulador aumenta a energia gerada no alternador, analogamente, uma tensão baixa, reduz a energia gerada e em consequência do aumento de tensão, o alternador irá demandar um torque maior do motor térmico.

5. Funções

O sistema se utiliza de várias funções baseado tanto no estado de carga da bateria quanto nos diferentes regimes de funcionamento do motor, tendo como principais objetivos manter a bateria num estado de carga regular; promover uma maior eficiência no funcionamento do motor, viabilizando a utilização de sua plena potência nos momentos que for solicitado pelo motorista; recuperar parte da energia mecânica perdida nos momentos de frenagem e desacelerações armazenando-a na bateria.

1. 1. Regeneração da Bateria
      Mantém a tensão fixa em 14,2V, desabilita as demais funções do sistema e fornece recargas significativas e periódicas (sempre com mesmo intervalo de tempo) à bateria. Sua ativação é dependente do estado de carga da bateria. Figura 1 simboliza esta regeneração.

2. 2. Carga Rápida
      Resguarda a bateria em casos que a carga atinge nível crítico, possui parâmetros calibráveis e é considerada função prioritária, o que quer dizer que sua ação inibe todas as outras do sistema. Sua ativação ocorre quando a bateria estiver com carga inferior a 65% e mantém as demais funções do sistema desabilitadas enquanto houver carga menor que 75%. A figura 2 exibe o carregamento rápido de uma bateria similar ao que ocorre nessa função.

Potência Passiva ou Desacoplamento Elétrico do Alternador

Utilizando a ideia do desacoplamento elétrico, diminui ou até restringe a requisição de potência do motor pelo alternador e é habilitada em determinadas condições de marcha, dependendo diretamente da aceleração exigida pelo usuário.

Quando ativa, o motor passa a ter maior potência útil, o que faz com que o desempenho seja melhorado e que o consumo e as emissões sejam diminuídos, tornando a bateria responsável, parcial ou completa, por fornecer energia a todo o sistema elétrico do carro; caso a bateria atinja o limite mínimo de 12V a função é desabilitada.

Esta função tem, portanto, uma cadeia de condições tanto de habilitação quanto de desabilitação, mostradas abaixo:

 · Habilitação: carga da bateria acima de 75%, nível de corrente requerida 50A, nível de solicitação de torque pelo motorista baixo e rotação elevada do motor.

· Desabilitação: tensão da bateria abaixo de 12V, nível de corrente requerida >50A, nível de solicitação de torque pelo motorista baixo e rotação elevada do motor.

O torque que o alternador impõe ao motor térmico é reduzido nos momentos de aceleração (solicitação de torque), através da diminuição de tensão feita pelo regulador de tensão, como visto na figura 3:

1. 4. Frenagem Regenerativa

          É acionada sempre que o veículo estiver em movimento sem estar sendo acelerado pelo motorista, ou seja, nas situações de frenagem ou descidas, e faz com que parte da energia mecânica perdida seja recuperada e armazenada na bateria.

O armazenamento dessa energia é dado pelo aumento de tensão no regulador, que faz com que o alternador consiga fornecer maior potência à bateria; tal função é danosa à bateria, por causar uma recarga abrupta, muito rápida, portanto é acionada de forma cíclica e um limitador da tensão de saída do alternador é aplicado, preservando a bateria.

          Após a ativação da função, o carregamento da bateria é dado da seguinte forma:

· Entre os primeiros 10s a 20s, dependendo da aplicação, a central de controle da carroceria (BCM) define o limite máximo de tensão gerada pelo alternador;

 · Em seguida, a tensão máxima é fixada em 14,2V; e se mantém neste limite por 120 segundos quando é desativada;

· Enquanto estiverem presentes as condições que ativam a frenagem regenerativa, um novo ciclo é iniciado. O aumento na tensão do regulador faz com que parte da energia seja recuperada nos momentos de desaceleração e frenagem, como mostrador na figura 4:

1. 5. Estado de Carga Constante

      Responsável por regular a potência gerada pelo alternador a fim de obter o melhor compromisso de custo energético, ou seja, garantir que seja gerada apenas a potência necessária para aquele instante.

É acionado nos intervalos de tempo em que o veículo não sofre aceleração ou frenagem, ou seja, quando este está em velocidade constante.

É a principal função do sistema e está presente em todas as trocas das demais funções e, além disso, nos casos em que nenhuma das funções anteriores está acionada, é regra que o sistema esteja em estado de carga constante sempre que a embreagem estiver acionada ou o câmbio estiver desengrenado.

6. Considerações

             O sistema é completamente configurado a fim de que os   componentes dependentes de energia (ar-condicionado, lâmpadas internas, faróis, entre outros) sofram a menor alteração possível de funcionamento; tal configuração garante uma menor percepção do cliente à variação de tensão do alternador (existente para a redução do consumo). Os carros dotados de sistema de ar-condicionado manual podem apresentar variação perceptível no fluxo de ar, sendo considerado como situação normal.

7. Códigos de falhas (DTCs) relacionados

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    A figura 5 exibe os códigos de falhas relacionados aos respectivos módulos de controle.

8. Módulo do Alternador Inteligente

          A utilização de reguladores inteligentes se torna necessária devido à crescente demanda de eficiência energética nos veículos atuais, e com o avanço da eletrônica e o aumento do uso de energia elétrica nos veículos, os alternadores que antes eram meros geradores de energia passam a ser capazes de otimizar o desempenho dos veículos. 

A ideia do módulo alternador inteligente consiste em não só realizar compensação térmica e inserção de cargas por tensão, mas também se comunicar com a central de controle de injeção (ECM), que por sua vez é capaz de alterar o funcionamento do alternador através de alterações que obedecem uma dada calibração para a situação requerida.

Existe uma redundância que faz com que, em casos de perda dessa comunicação com a central de controle de injeção (ECM), o alternador inteligente funcione de forma semelhante a um alternador comum (acione acima de 2000 rpm).

Os limites superiores e inferiores de tensão são estabelecidos pelo módulo de controle da carroceria (BCM), que são medidos de acordo com a carga inserida e as condições da bateria. A central de controle de injeção (ECM) também define limites de tensão. Os limites tomados como referência pelo IAM são os menores e maiores obtidos pelas duas centrais (BCM e ECM).

Características

Nos veículos equipados o sistema de gerenciamento inteligente possui um regulador de tensão inteligente, nesse caso o regulador (IAM) é responsável pela comunicação entre o alternador e a Central Eletrônica de Injeção (ECM) pela rede LIN.

Em suma, o regulador é um componente escravo da rede que recebe comandos da central de controle de injeção (ECM), faz os cálculos necessários e os executa.  A atuação do regulador de tensão inteligente é ampla e dinâmica, visto que os cálculos para regular a tensão são complexos em relação aos reguladores de tensão antigos. Tal complexidade é demandada pela grande variação de tensão que ocorre durante o funcionamento do veículo.

A figura 6 mostra um diagrama em bloco de funcionamento do sistema do módulo do alternador inteligente.

Trânsito de Mensagens

A troca de mensagens entre o regulador de tensão e a central de controle de injeção (ECM) acontece em ambos os sentidos, sendo definidas no projeto do sistema como:

 → Central de controle de injeção (ECM) → Regulador de tensão:

• Valor de tensão regulada;

• Curva de carga e velocidade para anulá-la;

• Limite de excitação máxima;

• Curva de desligamento por temperatura.

→ Regulador de tensão → Central de controle de injeção (ECM):  

• Indicador de falhas (Sobretemperatura, mecânica, elétrica, comunicação, tempo limite excedido)

• Duty Cycle;

• Nível da corrente de excitação.

A figura 7 apresenta de forma esquemática a comunicação existente entre o regulador de tensão e a Central de controle de Injeção (ECM)

Detalhamento do módulo do alternador inteligente

    A figura 8 mostra um alternador inteligente destacando o posicionamento do regulador interno, assim como o sinal de comunicação entre o regulador e o módulo de controle da carroceria (BCM) através da rede LIN. 

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