IT201600120152A1 - Metodo di controllo di imbarcazioni elettriche, sistema ed imbarcazione per la sua attuazione - Google Patents

Description

“Metodo di controllo di imbarcazioni elettriche, sistema ed imbarcazione per la sua attuazione”

DESCRIZIONE

In un suo aspetto più generale il presente trovato riguarda la navigazione delle imbarcazioni elettriche da diporto o comunque di natanti di piccole o medie dimensioni, quali lance, scialuppe, gommoni, motoscafi, barche da pesca o a vela e similari.

Come è noto, nell’ambito della nautica da diporto stanno diffondendosi in maniera via via crescente i sistemi di propulsione elettrica per le imbarcazioni di taglia medio piccola.

Questo fenomeno è dovuto a varie cause concomitanti o comunque convergenti, che contribuiscono a consolidare questa tendenza; in primo luogo la sempre maggiore sensibilità nell’opinione pubblica in generale ed anche tra gli appassionati della nautica, verso i temi ambientali e la preservazione di mare, laghi e fiumi, nonché degli ecosistemi in cui si inseriscono.

Una importante causa di inquinamento degli ambienti marini e fluviali sono i fumi rilasciati dai motori a combustione interna e gli sversamenti in acqua di oli minerali o di combustibili, originati direttamente o indirettamente da tali motori.

Le sanzioni normative previste per chi si rende responsabile di questi eventi inquinanti, hanno quindi incentivato lo sviluppo di imbarcazioni elettriche le quali risolvono alla radice questi problemi, dato che non richiedono ne combustibile né lubrificanti per il motore.

Non vanno poi trascurati i danni da inquinamento acustico provocati dalle imbarcazioni a motore; si noti che anche le barche a vela, che sono considerate giustamente virtuose sotto questo profilo, hanno comunque a bordo un motore di appoggio per la navigazione in assenza o carenza di vento che costituisce pertanto un limite al loro carattere ecologico.

Un ulteriore motivo di diffusione delle imbarcazioni elettriche è poi legato al fatto che esse richiedono una manutenzione limitata, sia perché le tecnologie dei motori elettrici hanno ormai raggiunto elevati livelli di affidabilità con costi accessibili per i diportisti, sia perché non richiedono praticamente alcuna manutenzione quale la sostituzione dell’olio lubrificante, dei filtri o delle candele dell’accensione del motore.

Non ultimo è infine da segnalare come le prestazioni dei motori elettrici abbiano ormai raggiunto dei livelli tali da essere competitivi con quelli a combustione interna, raggiungendo anche valori di rapporto peso/potenza migliori.

Prima di procedere oltre è bene precisare che in questa descrizione e nelle successive rivendicazioni si utilizzeranno per brevità le espressioni “imbarcazione elettrica”, “barca elettrica”, “natante elettrico” e similari, per indicare genericamente sia quelle imbarcazioni che funzionano unicamente ad elettricità, sia quelle di tipo ibrido vale a dire con funzionamento che può essere oltre all’elettrico, anche a motore oppure a vela. Come è possibile intuire, con il progredire delle applicazioni delle imbarcazioni elettriche sono aumentate anche le problematiche per il loro funzionamento.

In sintesi si può dire che se all’inizio, alcuni anni fa, le imbarcazioni elettriche erano essenzialmente concepite come delle normali imbarcazioni dove al posto del motore a combustione interna (fuoribordo o entrobordo) si metteva un motore elettrico, col tempo la richiedente ha potuto constatare come questa impostazione non fosse adatta a sviluppare imbarcazioni di nuova generazione, capaci di soddisfare le richieste sempre più esigenti del mercato.

Così, ad esempio, per avere delle imbarcazioni con potenze di propulsione, cioè all’elica, pari ad alcune decine di kW, è richiesto o comunque consigliabile avere dei sistemi di raffreddamento delle batterie e/o anche dell’elettronica che controlla il motore elettrico.

Questo anche perché le imbarcazioni possono essere esposte al sole per molte ore e quindi i motori e le batterie possono trovarsi ad operare in ambienti con temperature elevate, che non sono ideali per il loro migliore rendimento.

Un esempio di un sistema di raffreddamento delle batterie di alimentazione di un propulsore di imbarcazioni ibride, è descritto nel brevetto americano US 8,535,104.

Come spiegato in questo documento, le batterie sono alloggiate in un contenitore parallelepipedo chiuso (i.e. un cofano o cassa) di alluminio o vetroresina, nel quale viene stabilita una circolazione forzata di aria raffreddata da uno scambiatore di calore con l’acqua di mare.

L’acqua di mare viene alimentata con una pompa ed in accordo con una variante realizzativa, essa raffredda un altro liquido (es. acqua glicolata) che circola nello scambiatore all’interno del contenitore: in tale variante è quindi prevista una ulteriore pompa per il liquido (oltre a quella dell’acqua di mare) ed un ulteriore scambiatore. Nel brevetto anteriore già richiamato non è spiegato se, e come, vengono controllati o regolati i vari apparati di bordo, che servono per il funzionamento del motore elettrico; si può quindi desumere che non sia previsto alcun controllo o regolazione oppure, se presente, esso sia fatto secondo le usuali tecniche conosciute negli impianti di bordo, che richiedono cablature che non si addicono alle imbarcazioni medio piccole cui è rivolta l’invenzione.

Si pensi per esempio ad un gommone oppure ad una lancia di 3-4 m di lunghezza, in cui non è possibile predisporre dei cablaggi che siano anche protetti contro l’acqua che inevitabilmente si può trovare a bordo.

Alla luce di questa situazione si può pertanto affermare che uno scopo dell’invenzione sia quello di elaborare un metodo di controllo delle imbarcazioni elettriche, capace di superare i limiti dello stato della tecnica anteriore considerata in precedenza.

Nell’ambito di questo scopo, un problema tecnico che l’invenzione si propone di risolvere è quello di realizzare una imbarcazione elettrica e/o un sistema per attuare tale metodo.

Un ulteriore problema tecnico che l’invenzione intende risolvere è quello realizzare una imbarcazione elettrica che comprenda mezzi di controllo e/o rilevazione delle condizioni di funzionamento del motore elettrico o di altre parti a bordo della barca, come ad esempio le batterie elettriche o il circuito di raffreddamento, la quale sia operativamente flessibile così da poterla adattare alle differenti esigenze o richieste. Un’idea alla base dell’invenzione è quella di controllare o comunque rilevare le condizioni operative della barca e/o dei componenti di bordo, con mezzi che non richiedano la realizzazione di impianti di bordo complessi quali sono abitualmente quelli con reti di cavi e quant’altro come nel caso di US 8,535,104.

Le caratteristiche dell’invenzione sono enunciate più specificamente nelle rivendicazioni annesse a questa descrizione; tali caratteristiche, gli effetti che ne derivano ed i vantaggi conseguiti dall’invenzione, risulteranno maggiormente dalla descrizione che viene di seguito riportata di un esempio preferito e non esclusivo di realizzazione, mostrato a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati nei quali: - Fig.1 è una vista prospettica di una imbarcazione in accordo con l’invenzione;

- Fig. 2 è una vista dall’alto della imbarcazione precedente, con alcune parti asportate per lasciare in vista alcuni particolari per l’alimentazione elettrica ed il raffreddamento del motore;

- Fig.3 è uno schema che illustra il raffreddamento della imbarcazione di fig.1 e 2; - Fig.4 è uno schema che mostra il sistema di controllo della imbarcazione precedente; - Fig.5 è uno schema che illustra l’unità di controllo del sistema della figura precedente; - Fig.6 mostra una vista in sezione del motore elettrico della imbarcazione precedente; - Fig. 7 e 8 mostrano l’alloggiamento delle batterie della imbarcazione delle figure precedenti.

Con riferimento ai disegni elencati, in essi con 1 è complessivamente indicata una imbarcazione secondo l’invenzione, in questo caso un motoscafo ma potrebbe essere un gommone, una barca vela o una qualunque altra barca da diporto, dotata di un propulsore elettrico 10.

Quest’ultimo è, per chiarezza e semplicità, di tipo fuoribordo ma comunque l’invenzione si applica anche ad imbarcazioni con motori entrobordo; ulteriormente, nel caso di imbarcazioni ibride, esse possono essere dotate anche di un motore a combustione interna e/o di vele.

E’ poi solo il caso di aggiungere che sulla imbarcazione 1 possono essere presenti anche più di un singolo propulsore elettrico 10. In tal caso, di preferenza, i motori possono agire indipendentemente con comandi separati: ciò perché con i motori elettrici è possibile avere un controllo istante per istante della potenza, che può essere vantaggiosamente utilizzato anche per governare la barca, cioè per poterla dirigere anche senza l’uso del timone.

L’imbarcazione 1 comprende quindi uno scafo 2 esteso tra una poppa 3 dove si trova il propulsore 10, ed una prua 4 superiormente alla quale si trova la coperta 5; la barca 1 comprende poi un pozzetto 6 dove si trovano i posti 7 dei passeggeri ed una postazione di guida 8 con una plancia di comando 9.

Per quanto riguarda le modalità di guida della barca 1 dalla postazione 8 ed i comandi o la strumentazione della plancia 9, come una cloche 11 di marcia del motore, una ruota 13 del timone, radio, bussola, GPS, anemometro, spie e indicatori vari, monitor, ecc.; essi verranno considerati solo in relazione alle loro caratteristiche necessarie o utili ai fini di comprendere l’invenzione: tuttavia occorre precisare che la barca 1 si guida come una qualsiasi imbarcazione con motore fuoribordo e pertanto per l’uso dei comandi e della strumentazione durante la navigazione o le manovre, si rinvia per brevità a quanto noto nella nautica a questo proposito.

Il propulsore 10 comprende un motore elettrico 100, preferibilmente del tipo senza spazzole (c.d. “brushless”) collegato meccanicamente ad un’elica 12, tramite dei mezzi di trasmissione, in questo caso comprendenti degli alberi 101, 102 di rinvio e degli ingranaggi 103, 104 quali coppie coniche o altri meccanismi (es. riduttori, variatori, ecc.).

I motori elettrici del tipo senza spazzole sono noti nella tecnica e per maggiori ragguagli si rinvia alle numerose pubblicazioni scientifiche o brevettuali in materia, mentre in questa circostanza è solo il caso di segnalare che la configurazione dei mezzi di trasmissione potrà essere differente da quella ad alberi e ingranaggi 101-104 considerati. E’ infatti comprensibile che a seconda delle dimensioni e/o della potenza del motore elettrico 100, nonché della barca su cui è montato il propulsore 10 e/o la sua installazione (fuoribordo o entrobordo), si potranno avere trasmissioni alquanto disparate tra loro da caso a caso.

Si tratta comunque di soluzioni che rientrano nell’ambito della progettazione di trasmissioni meccaniche, a cui le persone esperte del ramo che operano nel settore della nautica e nei cantieri che costruiscono le barche, sono in grado di fare fronte con le loro conoscenze tecniche.

Si potranno quindi avere trasmissioni non solo ad ingranaggi ed alberi, ma anche a cinghia (dentate o semplici), con riduttori meccanici oppure idraulici, con innesti di frizione oppure giunti parastrappi e quant’altro ancora; tutto ciò indipendentemente dal fatto che il motore elettrico 100 è associato ad un regolatore di velocità collegato alla plancia di comando 9 attraverso la quale l’utilizzatore è in grado di controllare la velocità del motore 100 e, quindi, della imbarcazione 1.

Per l’alimentazione elettrica del motore 100 sono presenti a bordo dello scafo 2 delle batterie 15, 16, preferibilmente al litio o polimeri di litio, disposte in alloggiamenti impermeabili o gavoni 17, 18 che si trovano nello scafo, ad esempio sotto la coperta di prua 4 oppure a fianco della postazione di guida 8.

Anche per le batterie 15, 16 si potranno avere differenti soluzioni per quanto riguarda il numero e le dimensioni, a seconda della potenza del propulsore 10, del tipo di barca ed altri fattori, tra cui anche le dotazioni di bordo.

Occorre infatti osservare che in accordo con una forma realizzativa preferita, le batterie 15, 16 oltre che per l’alimentazione del motore elettrico 100 servono anche per alimentare le altre apparecchiature di bordo, non solo quelle più strettamente legate alla imbarcazione e alla navigazione (es. radio, eventuali pompe di sentina oppure ecoscandaglio, bussola, argano dell’ancora e quant’altro), ma anche quelle che servono alla gestione del funzionamento delle batterie stesse 15, 16 e del propulsore 10.

Infatti, in accordo con l’invenzione, nella imbarcazione 1 è presente un sistema di raffreddamento del motore 100 e/o delle batterie 15, 16, schematicamente illustrato in figura 3.

Come si vede il sistema di raffreddamento comprende due circuiti C1, C2 in scambio termico tra loro, dove il primo è di tipo aperto ed in esso fluisce acqua esterna (di mare, lago, fiume) alla imbarcazione, mentre il secondo è di tipo chiuso ed in esso circola un liquido di raffreddamento quale acqua distillata o simili.

Il primo circuito C1 comprende una pompa 20 di ammissione dell’acqua esterna, a valle della quale è presente una elettrovalvola a tre vie 21 che permette di deviare e/o frazionare il flusso dell’acqua, indirizzandolo verso uno scambiatore 22 acqua-liquido o verso uno scambiatore ad aria 23, tipo batteria alettata disposto nella campana o carenatura 103 del propulsore 10 destinato al raffreddamento del motore elettrico 100; a valle dello scambiatore ad aria 23 l’acqua viene mandata a scarico.

Il secondo circuito C2 comprende una pompa o circolatore 30 del liquido, sulla cui mandata si trova lo scambiatore acqua-liquido 22, ed uno scambiatore ad aria 33 del tipo a batteria alettata o altro genere appropriato, per il raffreddamento delle batterie 15, 16.

Lo scambiatore ad aria 33 si trova negli alloggiamenti 17, 18 delle batterie; a tale proposito è solo il caso di segnalare che nel caso mostrato nelle figure in cui le batterie 15, 16 sono separate e disposte in rispettivi alloggiamenti 17, 18, lo scambiatore ad aria 33 comprende due sezioni 33’, 33’’ rispettivamente associate alle batterie 15, 16.

Tali sezioni sono attraversate in serie dal liquido del circuito C2, ma potrebbero invece essere alimentate in parallelo: ciò comporterebbe una variazione del circuito con la presenza di due rami e delle valvole di intercettazione del liquido circolante, ma è comunque una variante da considerare parte della presente invenzione.

Ovviamente nel caso vi fosse un unico pacco di batterie 15 o 16, lo scambiatore 33 avrebbe solo una sezione.

Sia lo scambiatore 23 del primo circuito C1 che quello 33 del secondo circuito C2 possono essere vantaggiosamente associati a delle ventole 24, 34 per favorire lo scambio termico ed il raffreddamento, rispettivamente, del motore elettrico 100 e delle batterie 15, 16.

Ulteriormente, in entrambi i circuiti C1 e C2 sono presenti mezzi sensori per il controllo dei vari parametri operativi di funzionamento della imbarcazione, come il livello di carica delle batterie 15, 16, la temperatura dell’aria agli scambiatori 23 e 33, la portata dell’acqua esterna alimentata dalla pompa 20 e quella del liquido circolato dalla pompa 30, nonché la loro rispettiva temperatura e così via.

Tutti questi sensori, che sono di per sé noti nella tecnica e non sono illustrati nelle figure per semplicità, sono operativamente collegati ad una unità di controllo 40 così come il motore 100 della barca e quelli delle pompe 20, 30, le ventole 24 e 34, l’attuatore 21a di comando della elettrovalvola 21, ed eventuali altri componenti presenti nei circuiti C1 e C2.

Nella imbarcazione 1 sono preferibilmente presenti anche altri sensori, allo scopo di aumentare i livelli di sicurezza del natante: un sensore di antiribaltamento S1, un sensore di controllo S2dell'umidità all'interno della cassa batterie e/o un sensore S3di disperione elettrica. Ognuno di questi sensori in caso di superamento delle soglie di sicurezza preimpostate interromperà in maniera indipendente il flusso elettrico

L’unità di controllo 40 è di tipo elettronico e può essere sia un elemento a sé stante come una centralina predisposta ad hoc nella imbarcazione, sia una parte del sistema generale di controllo della imbarcazione; anche in questo caso si potranno avere diverse opzioni a seconda delle dimensioni delle imbarcazioni, della loro destinazione d’uso (diporto, pesca, trasporto passeggeri o merci, ecc.), delle dotazioni di bordo, e così via.

Nella figura 4 sono riportati schematicamente tale unità di controllo 40 e i dispositivi di rete N1, N2, N3,…Nzche costituiscono i nodi della rete di controllo, associati agli elementi sopra menzionati (le batterie 15, 16, le pompe 20 e 30, l’attuatore 21a di comando della elettrovalvola 21, il motore 100 dell’imbarcazione 1, le ventole 24, 34 e così via).

Ciò non deve essere tuttavia considerato limitante perché, come si è detto, sono possibili molteplici soluzioni per attuare l’invenzione, anche in funzione delle dimensioni e/o della complessità e/o dell’applicazione della imbarcazione.

Tuttavia, in accordo con una forma di realizzazione preferita, l’unità di controllo 40 è in comunicazione con gli elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30 34, …ecc. ad essa asserviti, mediante una rete senza fili del tipo c.d. Wi-Fi o altro protocollo che possa offrire le prestazioni appropriate nella trasmissione e ricezione dati, essendo comunque la comunicazione tra l’unità di controllo 40 e gli elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. di tipo bidirezionale.

Ciò al fine di rendere possibile non solo il controllo di detti elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. da parte della unità 40 con l’invio di segnali di quest’ultima per comandare il funzionamento dei primi secondo il programma di regolazione stabilito, ma anche il viceversa ovvero l’invio alla unità di controllo 40 da parte degli elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc., di segnali relativi alle loro condizioni operative e/o di funzionamento.

Come detto, la rete di controllo di fig. 4 comprende una serie di dispositivi di rete N1, N2, N3, N4, …Nzassociati ai vari elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. (nel seguito, dove non altrimenti chiaro dal contesto, si parlerà brevemente di nodi N1, N2, N3, …Nzper indicare i relativi dispositivi di rete).

Si noti che in figura 4 sono mostrati solo alcuni di questi nodi associati ad un gruppo di utenze o apparecchiature di bordo, la cui scelta dipenderà da vari fattori come il posizionamento a bordo della imbarcazione 1 (es. a prua o a poppa) dei vari elementi 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. a cui sono associati, la potenza dei segnali trasmessi e ricevuti dai vari dispositivi dei nodi N1, N2, N3, N4…Nz, eventuali possibili interferenze con la strumentazione di bordo, e quant’altro.

Si noti che lo stesso schema o le stesse logiche possono essere replicate e così si potranno avere altri gruppi di dispositivi di nodo (es. N’1, N’2, N’3, …N’z) relativi ad altre utenze di bordo, ordinati secondo i criteri già accennati, quali la posizione sulla imbarcazione oppure altro.

In accordo con una forma realizzativa preferita dell’invenzione, anche i sensori di bordo S1, S2, S3, ….SZ , o almeno una parte di essi, sono associati a dei dispositivi di nodo (es. N’1, N’2, N’3, …N’z), così che la rete di bordo consente il controllo delle condizioni della imbarcazione capillare.

La rete dei sensori S1-Sz con i relativi nodi N’1, N’2, N’3, …N’z è mostrata in figura 5 ed opera con le stesse logiche di quella degli apparati con i nodi N1, N2, N3, N4…Nz; le spiegazioni fornite per quest’ultima sono quindi da estendere anche ai primi.

Indipendentemente da ciò, in ciascun gruppo almeno uno dei nodi compresi in detta zona opera in modalità di smistamento dati (il cosiddetto nodo di smistamento); nel caso rappresentato in fig. 4, sono i nodi N1 e N2 che hanno questa funzione. I rimanenti nodi N3 e N4 operano in modalità di acquisizione dati e/o istruzioni (i cosiddetti di nodi di acquisizione e/o attuazione).

Come più sopra accennato, ciascun nodo N1, N2, N3, N4.…. della rete può essere collegato ad una utenza diversa che può essere una batteria, un sensore, un attuatore, un motore, ecc. ma non necessariamente. Infatti, i nodi di acquisizione e/o attuazione che fungono anche da ripetitori, ossia i nodi N3e N4possono anche non essere in comunicazione di segnale con dei sensori e/o degli attuatori, poiché potrebbero essere posizionati solo per consentire ai nodi di smistamento N1e N2di ricevere i dati acquisiti rispettivamente da altri nodi Nj, Nk, Nl,….Nzche, per necessità di installazione potrebbero essere posizionati ad una distanza troppo elevata per stabilire una connessione diretta con i nodi di smistamento N1 e N2.

Come già detto sopra, ciascun nodo N1, N2, N3, N4…Nz può essere configurato oltre che per acquisire dei segnali da un sensore o un apparato, anche per azionare degli attuatori in base ad istruzioni che gli provengono dall’unità di controllo o supervisione 4 o da un altro nodo. In questo modo, si rende possibile il controllo a distanza di elementi come le pompe 20, 30, le valvole 21, le ventole 24, 34.

Nella rete di figura 4 il nodo di smistamento N4 comunica con il nodo di smistamento N3 che, a sua volta, comunica con il nodo N2 il quale comunica con l’unità di controllo 4. Si noti tuttavia che questo modo di comunicare tra i nodi di smistamento e/o quelli di acquisizione/attuazione è del tutto esemplificativo, e che il nodo N4 potrebbe comunicare direttamente con il nodo N2 o quello N1, oppure anche con l’unità di controllo 4, e così anche gli altri nodi di smistamento.

Al fine di gestire al meglio questi percorsi di comunicazione (route), i diversi nodi N1, N2, N3, N4…Nz della rete possono vantaggiosamente utilizzare il protocollo di comunicazione IP, in particolare l'IPv6 che può essere vantaggiosamente utilizzato anche sulle reti IEEE 802.15.4 (vedere l'RFC 6282 prodotto dal gruppo IETF 6LoWPAN). L'utilizzo dell'IPv6 semplifica il funzionamento della rete 2, poiché consente ad un qualunque elaboratore elettronico o altro dispositivo capace di collegarsi ad una rete IPv6 di acquisire dati e/o inviare istruzioni (direttamente o indirettamente) da un qualunque nodo della rete. Si evidenzia che l'IPv6 è un protocollo che può essere utilizzato sia su reti private che su reti pubbliche, come ad esempio Internet.

Per questo motivo, l’unità di supervisione 4 può essere vantaggiosamente posizionata in qualunque parte del mondo, consentendo così un'efficace monitoraggio dell’imbarcazione 1 che provoca un positivo aumento del livello di sicurezza delle persone che si trovano a bordo.

I dispositivi che costituiscono i nodi N1, N2, N3, N4…Nz possono essere alimentati mediante batterie, preferibilmente del tipo ai polimeri di litio, che consentono di fornire un'adeguata autonomia.

In alternativa (o in combinazione) è possibile alimentare i dispositivi dei nodi N1, N2, N3, N4…Nz con le batterie 15, 16, oppure con dei pannelli fotovoltaici che sono vantaggiosamente utilizzabili su una imbarcazione la quale si trova sempre esposta alla luce durante il giorno; ulteriormente, sulla imbarcazione 1 è possibile anche avere un sistema eolico di alimentazione dei dispositivi dei nodi N1, N2, N3, N4…Nz, atto a fornire energia elettrica alle loro batterie o a quelle 15, 16 della imbarcazione 1.

Si noti inoltre che solo i nodi di smistamento (in figura 4 sono quelli indicati N1, N2) hanno i mezzi di comunicazione di rete accesi, pertanto solo questi nodi assorbono una maggior livello di corrente elettrica. Questo permette di progettare la rete di controllo in modo che i nodi che in condizioni di funzionamento normale operano come nodi di smistamento, siano posizionati vicino a sorgenti di alimentazione elettrica più stabili (come ad esempio vicino alle batterie 15, 16) oppure siano dotati di adeguati sistemi di generazione di corrente elettrica (come ad esempio i pannelli fotovoltaici o le microturbine eoliche), così da garantire un adeguato livello di servizio della rete 2.

Come detto più sopra, l’unità di controllo o supervisione 40 può essere un dispositivo a sé stante oppure parte di un sistema generale di controllo della imbarcazione; indipendentemente da queste alternative, esso è comunque preferibilmente un elaboratore elettronico, comprendente almeno un'unità di memoria di massa, un processore e delle porte di comunicazione con i nodi di rete N1, N2, N3, N4…Nz.

L’unità di controllo 40, schematicamente illustrata a blocchi in figura 6, comprende preferibilmente una interfaccia video 42 per consentire la visualizzazione di informazioni su uno schermo o monitore 37 (c.d. display) che potrà anche essere di tipo tattile (c.d. touch screen), una interfaccia 41 per i vari elementi di bordo 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. da controllare, alla quale afferiscono i rispettivi nodi di rete N1, N2, N3, …Nz.

Come detto, la comunicazione tra questi ultimi e l’unità di controllo 40 e di tipo ad onde elettromagnetiche, cioè senza cavi, con protocollo appropriato come ad esempio quello messo a disposizione dalla tecnologia comunemente nota come Wi-Fi.

L’unità di controllo 40 comprendono anche un processore 45 che elabora i dati e le informazioni ricevute dall’esterno e/o dall’interno della imbarcazione 1, secondo un programma (software) contenuto in una memoria 46 di massa o permanente, tipicamente costituita da un disco rigido (c.d. hard disk) ma eventualmente anche altri componenti elettronici quali schede, supporti ottici o magnetici potranno essere integrati nella unità 40.

Quest’ultima comprende anche una memoria primaria 47 di tipo RAM, associata al processore 45; opzionalmente l’unità di controllo 40 può comprendere anche un processore grafico 47, tipo GPU o altro, nel caso siano richieste delle elaborazioni grafiche per visualizzare sullo schermo 7 i parametri di funzionamento dei vari elementi di bordo 15, 16, 20, 21a, 24, 30, 34…ecc. da controllare.

I componenti sopra descritti dell’unità di controllo 40 sono operativamente comunicanti tra loro mediante un bus 49, al quale afferisce anche una interfaccia di collegamento 50 per il collegamento della unità di controllo 40 ad una o più reti di telecomunicazioni esterne alla imbarcazione, così da poter scambiare (cioè ricevere e trasmettere) a distanza dati con una stazione o centro 55 di assistenza o gestione di imbarcazioni.

Si pensi cioè al caso di una rete di telecomunicazioni satellitare oppure cellulare che permette di trasmettere dati ed informazioni relativi al funzionamento della imbarcazione 1 forniti dalla unità 40, quali velocità, posizione geografica, rotta di navigazione, livello di carica delle batterie 15, 16, consumi del motore elettrico 100, condizione delle altre dotazioni di bordo, autonomia residua, temperature dei circuiti di raffreddamento C1 e C2, e così via.

L’interfaccia di collegamento può comprendere anche una scheda identificativa (SIM) dell’unità di controllo 40.

Quest’ultima è preferibilmente dotata di una batteria interna 44 di alimentazione, la quale è collegata a sua volta con mezzi 46 per la sua ricarica, quali pannelli fotovoltaici e/o micro-turbine eoliche (non mostrati nelle figure); essa può comunque essere alimentata anche dalle batterie 15, 16 della barca 1.

Per la navigazione, l’imbarcazione 1 viene governata come una normale barca a motore; a tal fine il pilota nella postazione di guida 8 ha accesso a tutti i comandi della plancia 9, a cominciare dalla cloche o leva 11 con cui aumentare o diminuire il numero di giri del motore elettrico 100, dalla ruota 13 del timone che permette di variare l’orientamento del propulsore 10 e dirigere la barca di conseguenza.

Vale in questo caso quanto detto più sopra, ovvero che sotto questo aspetto il propulsore 10 presenta le medesime caratteristiche di forma e dimensioni di un comune motore fuoribordo, così che il propulsore può essere installato anche su imbarcazioni già esistenti al posto di un motore a combustione.

Nella circostanza è solo il caso di segnalare che la imbarcazione presenta i cavi bowden o altri meccanismi noti che sulle barche servono per collegare il propulsore 10 alla cloche 11 e alla ruota 13.

Il motore elettrico 100 ha una potenza che può variare in un campo di alcune decine (tipicamente 20-50) di cavalli; le batterie 15, 16 saranno dimensionate di conseguenza (20-50 kWh) per assicurare una autonomia appropriata, preferibilmente di un centinaio di miglia nautiche (circa 180 km).

Va da sé che tali valori possono essere aumentati utilizzando due o più motori elettrici su una medesima imbarcazione, nonché un numero maggiore di pacchi batterie.

E’ però il caso di segnalare come a differenza delle automobili elettriche, la navigazione è soggetta a fattori ambientali che possono far variare notevolmente le condizioni di avanzamento di una imbarcazione, quali la presenza o meno di onde e del vento, le correnti e così via, così che il consumo di energia elettrica fornita dalle batterie può variare da un caso all’altro in maniera sensibile.

Per questo motivo, in accordo con una forma preferita di realizzazione le batterie 15 e 16 sono configurate in modo da poter essere agevolmente sostituite, rimuovendole ed introducendole nei rispettivi alloggiamenti 17, 18 con operazioni che possono essere svolte con relativa facilità.

A tal fine il pacco delle batterie 15, 16 sono preferibilmente dei contenitori scatolari di forma poliedrica, comprendenti almeno due pareti laterali contrapposte in corrispondenza delle quali sono rispettivamente applicate delle guide.

Si noti che le batterie 15, 16 ed i relativi alloggiamenti 17, 18 possono essere diversi tra loro a seconda del posizionamento nello scafo 5 oppure delle loro dimensioni o di altri fattori di progetto; tuttavia, per semplicità, nel seguito si descriverà in dettaglio solo uno di essi (il primo) mostrato nelle figure 8 e 9, ma ciò che verrà esposto potrà essere esteso anche all’altro.

Pertanto, con riferimento a tale figura il contenitore 150 delle batterie 15 è sostanzialmente un parallelepipedo e su una coppia di pareti contrapposte 151 presenta delle guide 153 (in fig.7 è visibile solo una faccia 151 con le guide 153).

In effetti il contenitore 150 è ciò che dall’esterno si vede nei disegni, mentre il pacco di batterie vere e proprie (cioè le celle di litio) si trova al suo interno e sono collegate elettricamente in modo di per sé noto; sul fondo del contenitore 150 sono presenti primi mezzi di connessione elettrica 157 preferibilmente a presa di tipo femmina che si impegnano in corrispondenti secondi mezzi di connessione elettrica 161 a spina di tipo maschio, predisposti sul fondo dell’alloggiamento 17.

Detti mezzi di connessione elettrica possono essere di qualunque tipo noto, ovviamente appropriato per i livelli di corrente elettrica erogata dal pacco batterie 15; essi possono quindi essere delle comuni prese bipolari preferibilmente con terra. Esempi di possibili mezzi di connessione utilizzabili per l’invenzione sono commercialmente disponibili presso la società svizzera Stäubli.

Le i mezzi di connessione di tipo femmina 157 sono preferibilmente disposti sul contenitore 150 (e non sul fondo del vano di alloggiamento 17), perché così è possibile installarle a scomparsa ovvero in modo che non ci siano contatti sporgenti dalla superficie del contenitore 150: questo agevola la manipolazione e l’impilamento delle batterie per il loro immagazzinamento e la gestione.

I mezzi di connessione a spina maschio 161 sul fondo del vano di alloggiamento 17 sono collegati (tramite cavi non mostrati nei disegni) ad un gruppo di gestione o elaborazione della corrente al quale è collegata la cloche di comando 11, dove la corrente continua fornita dalle batterie 15 viene elaborata commutandola e/o invertendola per il funzionamento del motore 100 senza spazzole a magneti permanenti. Si noti che con questa configurazione, il collegamento elettrico tra il gruppo di gestione della corrente ed il motore elettrico è minimizzato, così da ridurre la lunghezza dei conduttori elettrici che collegano i connettori del gruppo al motore; ciò favorisce sia la diminuzione delle perdite resistive dato che i conduttori sono più brevi rispetto al caso in cui il gruppo sia applicato sopra il pacco batterie 15, come avviene normalmente nella tecnica, sia la sicurezza del sistema dato che i conduttori non sono accessibili alle persone essendo sotto al vano o gavone di alloggiamento 17.

Il gruppo di gestione della corrente comprende gli usuali circuiti elettronici a transistor di potenza comandati da un controllore, per comandare la commutazione della corrente e la sua gestione alle fasi statoriche del motore elettrico 100; per maggiori dettagli si rinvia a quanto esistente in commercio oggi sui circuiti e la componentistica elettronica applicata ai motori brushless.

Le guide 153 predisposte sul contenitore 150 si impegnano scorrevolmente con corrispondenti contro-guide 173 previste rispettivamente sulle pareti interne 178 del vano 17; come si vede dalle figure, le guide 153 e le contro-guide 173 sono del tipo a tenone mortasa e consentono un accoppiamento stabile contro le vibrazioni e/o le sollecitazioni (es. flessione, trazione, compressione, torsione) dello scafo 5 durante la navigazione.

Per questo motivo tali guide 153 e173 sono preferibilmente di materiale metallico (acciaio, bronzo, alluminio o altro) anche se si potranno utilizzare altri materiali ad alta resistenza e leggeri, come la fibra di carbonio, PVC, o altri composti sintetici.

Anche la forma a tenone mortasa (o “coda di rondine”) delle guide 153, 173 potrà essere comunque variata; tuttavia, ciò che rileva è che la forma delle guide sia tale da conseguire un effetto sostanzialmente di incastro reciproco, che impedisce il distacco del pacco di batterie 15 dalle pareti interne 178 del vano di alloggiamento.

In questo modo si ottiene un duplice effetto vantaggioso; il primo è che il pacco batterie 15 risulta stabilmente bloccato nel vano di alloggiamento 17, indipendentemente dalle vibrazioni della imbarcazione su cui è montato e che in navigazione non sono trascurabili: ciò è importante perché assicura un collegamento elettrico affidabile e sicuro del pacco batterie 15 con il motore elettrico 100 del propulsore 10, dato che le batterie non subiscono spostamenti relativi rispetto al vano 17 e pertanto le connessioni elettriche femmina e maschio di cui si è detto sopra, restano stabilmente impegnate. Il secondo effetto vantaggioso derivante dal collegamento strutturale tra pacco batterie 15 e pareti 178 del vano di alloggiamento 17 ottenuto grazie alle guide 153, 173, è che il pacco batterie 5 coopera strutturalmente con l’alloggiamento 17 per aumentarne la resistenza meccanica.

In altri termini, nella soluzione dell’invenzione le batterie 15 con il relativo contenitore 150 in cui sono disposte le celle di litio, rappresentano un elemento strutturale che contribuisce all’irrigidimento del vano di alloggiamento 17, così da renderlo strutturalmente più resistente.

In questo modo il pacco batterie 15 è reso di fatto solidale all’alloggiamento 17 e ha quindi una duplice funzione: quella di fornire energia elettrica per il funzionamento del motore 100 della barca e quella di elemento strutturale che coopera con lo scafo 5 o una parte di esso come il gavone di alloggiamento 17

Ciò rende possibile predisporre nelle pareti longitudinali 174 del vano di alloggiamento 17, cioè quelle diverse da dove si trovano le contro-guide 173, delle aperture 179 le quali hanno la funzione di favorire il raffreddamento delle batterie 15 mediante scambio termico con il flusso d’aria soffiato dalla ventola 34.

L’effetto strutturale di sicurezza conferito dall’alloggiamento del pacco batterie 15 nel vano 17 è ulteriormente migliorato dal fatto che, in accordo con una forma preferita dell’invenzione, tale vano comprende una piastra di copertura 172 che oltre ad avere una funzione di chiusura del vano e protezione delle batterie 15 al suo interno, serve anche mantenerle premute verso il fondo dell’alloggiamento 17 anche in caso di oscillazioni della imbarcazione 1 dovute a onde (il beccheggio ed il rollio delle barche possono essere notevoli in caso odi mare grosso).

Ciò impedisce quindi il sollevamento del pacco batterie 15 quando esso è in condizione operativa nell’alloggiamento 17 e riduce i suoi movimenti causati delle vibrazioni, assicurando il miglior contatto elettrico presa 157-spina 161.

Le dotazioni della imbarcazione 1 sinora descritta consentono di rendere la sua navigazione sicura ed efficiente, sfruttando al massimo le potenzialità di fonti energetiche alternative a quelle dei combustibili fossili tradizionali (benzina, gasolio, ecc.), ancora oggi prevalentemente usati nella nautica.

Infatti se da un lato ciò appare facilmente comprensibile, dato che il propulsore elettrico 10 è ad emissioni zero e non richiede in pratica alcuna manutenzione (a differenza di tutti motori marini a combustione interna), dall’altro questo risultato è combinato con una serie effetti sinergici che rendono vantaggiosamente possibile una navigazione della imbarcazione 1, in maniera innovativa e con prestazioni migliori inaspettate.

In primo luogo si deve osservare come la presente invenzione consente di avere un pieno controllo dei parametri di funzionamento della imbarcazione 1, e di poterli trasmettere a distanza; ciò rende la navigazione alquanto sicura anche nel caso in cui a bordo non vi siano persone esperte.

Infatti la trasmissione a distanza ad una stazione o centro di assistenza 55 dei dati relativi alla navigazione della imbarcazione 1 (quali posizione, velocità, rotta, ecc.) e/o quelli relativi al motore elettrico 100 ed alle batterie 15 (quali giri, coppia, tensione, corrente, livelli di carica ecc.), permette di avere un quadro completo delle condizioni della imbarcazione così da potere intervenire in caso di necessità oppure di programmare interventi di manutenzione.

Eventualmente è anche possibile intervenire da remoto impartendo dei comandi o eseguendo delle operazioni, come il controllo del motore elettrico 100, delle pompe 20, 30, delle batterie 15, 16 o di altri componenti di bordo; ciò grazie alla interfaccia di telecomunicazioni 50 della unità di controllo 40, la quale permette di trasmettere e ricevere dati e/o altre informazioni attraverso le reti di telecomunicazioni esterna (satellitare, UMTS, GPRS o altro, a seconda di quella disponibile).

Tutto questo viene ottenuto in maniera efficace grazie al collegamento senza cavi Wi-Fi dei componenti che fanno capo alla unità di controllo 40: infatti ciò permette non solo di non avere cavi disposti nella imbarcazione, ma permette di aggiungere o inserire anche altri apparati oltre a quelli considerati negli esempi, alla rete controllata dalla unità 40. Questo rende l’invenzione operativamente flessibile e di adattarla agevolmente alla grande varietà di imbarcazioni che esistono oggi, oltre a poterla applicare anche a quelle già esistenti sostituendo quindi la motorizzazione tradizionale con motori a combustione interna, con quella elettrica.

In secondo luogo si deve poi osservare come la presente invenzione insegni anche a sfruttare al meglio la propulsione elettrica.

Infatti essa prevede di raffreddare non solo le batterie 15, 16 del propulsore 10 (cosa peraltro nota nella tecnica, come si è visto sopra con riferimento a US 8,535,104), ma anche il motore elettrico 100.

Il raffreddamento delle batterie 15 e del motore elettrico 100 è ad aria, ma viene ottenuto preferibilmente con una soluzione in cui sono previsti due circuiti C1, C2 autonomi, in scambio termico tra loro, dove nel primo fluisce acqua proveniente dall’esterno essendo aperto, mentre nel secondo circola un diverso liquido refrigerante essendo aperto.

Questo non solo riduce le operazioni di manutenzione perché, come è noto, i circuiti idraulici ad acqua di mare richiedono una particolare attenzione, ma consente anche di avere una maggiore flessibilità perché è possibile raffreddare solo il motore elettrico 100 e non le batterie 15, o viceversa.

Infatti grazie alla valvola a tre vie 21, nel primo circuito C1 è possibile fare defluire l’acqua proveniente dall’esterno nel solo scambiatore ad aria 23 associato al motore, escludendo quindi l’altro scambiatore 22 che interagisce con il secondo circuito C2; questo modo di funzionamento è adatto quando, per esempio, vi sia un consumo limitato di potenza delle batterie 15 oppure queste siano in un ambiente a temperatura inferiore rispetto a quello dove si trova il motore 100.

A tale riguardo si deve considerare che l’invenzione si applica anche ad imbarcazioni con motori entrobordo e quindi diverse da quella considerata nell’esempio.

Analogamente nella soluzione esposta si potrà procedere al raffreddamento solo delle batterie tramite il secondo circuito C2, senza dover far fluire acqua dall’esterno nel primo circuito C1; è questo per esempio il caso di una imbarcazione con motore fuoribordo, durante la navigazione invernale o comunque quando la temperatura esterna è bassa e quindi il motore elettrico 100 possa essere raffreddato con una semplice ventilazione di aria ambiente.

E’ appena il caso di precisare che una gestione ottimale del raffreddamento del motore 100 e/o delle batterie 15, permette di conseguire una riduzione di consumo di queste ultime a tutto vantaggio della loro durata.

Tutte queste caratteristiche e le varianti equivalenti del trovato rientrano comunque nell’ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Imbarcazione comprendente uno scafo (5), almeno un propulsore (10) con un motore elettrico (100), almeno un pacco batterie (15, 16) atto a fornire energia al motore elettrico (100), caratterizzata dal fatto di comprendere una unità di controllo (40) operativamente collegata alle batterie (15, 16) ed al motore elettrico (100) per ricevere e/o trasmettere informazioni relative alle loro condizioni di funzionamento, ed atta al collegamento con reti di telecomunicazioni esterne alla imbarcazione, per la trasmissione a distanza di dette informazioni.
2. 2. Imbarcazione secondo la rivendicazione 1, in cui il collegamento dell’unità di controllo (40) con il motore elettrico (100) e/o con le batterie (15, 16) è, almeno in parte, di tipo senza fili.
3. 3. Imbarcazione secondo le rivendicazioni 1 o 2, comprendente mezzi di raffreddamento (20, 21a, 22, 23, 24, 30, 33, 34, C1, C2) del motore elettrico (100) e/o delle batterie (15, 16), operativamente collegati a detta unità di controllo (40).
4. 4. Imbarcazione secondo la rivendicazione 3, in cui il collegamento di detti mezzi di raffreddamento (20, 21a, 22, 23, 24, 30, 33, 34, C1, C2) con la unità di controllo (40) è, almeno in parte, di tipo senza fili.
5. 5. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente un primo ed un secondo circuito idraulico (C1, C2) per il rispettivo raffreddamento del motore elettrico (100) e delle batterie (15, 16), in scambio termico tra di essi.
6. 6. Imbarcazione secondo la rivendicazione 5, in cui in detti circuiti (C1, C2) circolano rispettivi fluidi.
7. 7. Imbarcazione secondo le rivendicazioni 5 o 6, in cui i circuiti idraulici (C1, C2) di raffreddamento sono operativamente collegati a detta unità di controllo (40) per ricevere e/o trasmettere informazioni relative alle loro condizioni di funzionamento e/o a quelle dei loro componenti (20, 21a, 22, 23, 24, 30, 33, 34).
8. 8. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui il collegamento di detti circuiti idraulici di raffreddamento (C1, C2) e/o dei loro componenti (20, 21a, 22, 23, 24, 30, 33, 34) con la unità di controllo (40) è, almeno in parte, di tipo senza fili. 10.
9. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno una rete di dispositivi di nodo (N1, N2, N3, N4…Nz,; N’1, N’2, N’3, …N’z) in collegamento operativo senza fili con la unità di controllo (40), per lo scambio delle informazioni con almeno uno tra i seguenti: mezzi di raffreddamento (20, 21a, 22, 23, 24, 30, 33, 34, C1, C2), il motore elettrico (100), le batterie (15, 16), una pluralità di sensori (S1, S2, S3, S4,…SZ).
10. 10. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui le batterie (15, 16) sono disposte in un alloggiamento (17, 18) atto a consentire la loro rapida installazione e rimozione, cooperando con esso così da migliorarne la resistenza strutturale quando le batterie sono nella condizione operativa inserita.
11. 11. Imbarcazione secondo la rivendicazione 10, in cui l’alloggiamento (17, 18) comprende delle contro-guide (173), lungo le quali si impegnano scorrevolmente le batterie (15, 16) per la installazione e/o rimozione rapida.
12. 12. Imbarcazione secondo la rivendicazione 11, in cui le batterie (15, 16) comprendono rispettive guide (153) atte ad impegnarsi con dette contro-guide (173), così che quando sono nella condizione operativa inserita nell’alloggiamento (17, 18), cooperano con esso per migliorarne la resistenza strutturale.
13. 13. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui l’alloggiamento (17, 18) comprende mezzi di connessione elettrica (161) che si impegnano con corrispondenti contro-mezzi (157) di connessione elettrica associati al pacco batterie (15, 16), quando questo è nella condizione operativa inserita nell’alloggiamento (17, 18).
14. 14. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni da 9 a 13, in cui l’alloggiamento (17, 18) delle batterie (15, 16) comprende delle pareti laterali (174) con delle aperture (179) per il raffreddamento delle batterie con il circuito di raffreddamento (C1, C2).
15. 15. Imbarcazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un secondo propulsore (10) con un motore elettrico (100), azionabile indipendentemente dal primo così da poter governare l’imbarcazione.
16. 16. Metodo di controllo della navigazione di imbarcazioni elettriche (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui le condizioni delle batterie (15, 16) e/o del motore elettrico (100) sono trasmessi a distanza in tempo reale ad un centro di controllo (55) tramite una rete di telecomunicazioni satellitare e/o cellulare o similare.
17. 17. Sistema per attuare il metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente una imbarcazione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, un centro di controllo (55) collegato alla imbarcazione (1) mediante una rete di telecomunicazioni, per scambiare informazioni relative alla navigazione e/o al propulsore (10) e/o le batterie (15, 16).