BR0316371B1 - Sistema de armazenamento de energia - Google Patents

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BR0316371B1
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Mats Leijon
Bjoern Bolund
Hans Bernhoff
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Electric Line Uppland Ab
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Description

"SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA".
Campo Técnico da Invenção A presente invenção se refere a um sistema de armazenamento de energia idealizado para armazenar e transmitir energia para um sistema de acionamento de um veiculo e também transmitir energia a partir do mesmo. O sistema compreende um dispositivo de armazenamento de energia tendo um estator fornecido com enrolamento e pelo menos um rotor fornecido com um dispositivo gerador de fluxo magnético. 0 rotor é conectado a pelo menos um volante, idealizado para armazenamento de energia na forma de energia cinética, com pelo menos uma quantidade de massa rotativa. 0 sistema de acionamento compreende um dispositivo elétrico, o dispositivo de armazenamento de energia sendo disposto para transmitir energia para o dito dispositivo elétrico e também a partir do dito dispositivo elétrico.
Antecedentes da Técnica Os sistemas de armazenamento de energia que apresentam um volante que é carregado através de um objeto acionador e em seguida servem como fonte de energia para, por exemplo, um motor elétrico, são usados, entre outras coisas, em sistemas de acionamento do tipo linha de transmissão do veiculo. No entanto, os sistemas conhecidos são limitados, sendo a capacidade de armazenamento de energia limitada por diversos fatores, tais como, peso do sistema, exigências de segurança, disponibilidade de materiais adequados, assim como, a disponibilidade de adequados sistemas de acionamento para o recarregamento do volante e descarregamento do mesmo. Em uma linha de transmissão em um veiculo híbrido, é encontrado um dispositivo armazenador de energia que, por exemplo, pode ser uma batería e/ou um tanque de combustível, um motor de acionamento elétrico e/ou um motor de combustão interna.
Para que se possa fazer uso de energia para deter um veículo, por exemplo, um automóvel ou um trem, é necessário um sistema rápido que seja responsável pela transmissão e armazenamento de alta potência. Quanto mais vigoroso for o meio de retardamento do veículo, o sistema terá de ser capaz de manipular uma potência mais alta, a fim de fazer uso da energia.
Um sistema conhecido para armazenamento de energia cinética é mostrado na Patente U.S. No. 5.931.249. 0 sistema descrito de acordo com tal documento compreende um volante, idealizado para, respectivamente, acumular e descarregar energia, que é acoplado a um dispositivo elétrico, que opera como motor e gerador, respectivamente, dependendo se a energia é alimentada para o volante ou é proveniente do mesmo. Quando o sistema é usado em um veículo durante períodos de tempo mais curtos, o veículo pode ser acionado pelo volante. 0 volante gira sob alta velocidade no vácuo. Junto com o sistema descrito, são necessárias altas intensidades de corrente, o que resulta em grandes perdas se a alta potência tiver de ser manipulada. Portanto, os sistemas conhecidos não são adequados para funcionamento com altas potências.
As baterias atuais são limitadas com relação à energia que as mesmas são responsáveis de carregar. Isso faz com que o tempo para carregar baterias de veículos energizados pelas mesmas geralmente corresponde a diversas horas. Um veículo energizado por batería não pode ser acionado mais do que dentro de um alcance limitado, antes do veículo ser trazido para uma estação de recarga e então ser recarregado durante um período de tempo relativamente longo, antes do veículo novamente apresentar um certo raio de ação, freqüentemente na faixa de 100 km.
Breve Descrição da Invenção A invenção de acordo com a presente aplicação é idealizada para proporcionar um sistema de armazenamento de energia, idealizado para armazenamento e descarregamento de energia em um sistema de acionamento de um veiculo, que soluciona os problemas acima mencionados. O sistema compreende um dispositivo de armazenamento de energia apresentando um estator fornecido com dois enrolamentos e um rotor fornecido com um dispositivo gerador de fluxo magnético. O primeiro enrolamento do estator é idealizado para baixa voltagem, para transmissão de energia de baixa potência, enquanto o segundo enrolamento é idealizado para alta voltagem, para transmissão de alta potência. O rotor é conectado a um volante idealizado para armazenamento de energia cinética, com pelo menos uma quantidade de massa rotativa. 0 sistema de armazenamento de energia é disposto para transmitir energia em ambas as direções, entre o dispositivo armazenador de energia e um dispositivo elétrico compreendido no sistema de acionamento. Ao se escolher proporcionar ao estator um enrolamento de alta voltagem, pode ser transmitida uma potência bastante alta em ambas as direções do sistema. Graças a isso, o sistema se torna bastante rápido e se responsabiliza em manipular a energia que se desenvolve durante os rápidos processos dinâmicos.
Por baixa voltagem, significa dizer uma voltagem abaixo de 380 V, e por alta voltagem, significa dizer uma voltagem acima de 380 V.
Em uma modalidade preferida, o dito primeiro enrolamento é disposto para operar em uma voltagem que se dispõe no intervalo de 6-50 V.
Numa adicional modalidade preferida, o dito segundo enrolamento é disposto para operar em uma voltagem que se dispõe no intervalo de 1-24 kV.
Numa outra adicional modalidade preferida, pelo menos um dos ditos enrolamentos compreende um condutor envolvido por uma primeira camada semicondutora, a dita primeira camada semicondutora sendo depois envolvida por uma camada de isolamento fixo, a dita primeira camada de isolamento fixo sendo depois envolvida por uma segunda camada semicondutora. Mediante um enrolamento tendo esse tipo de sistema de isolamento, pode ser transmitida uma potência bastante alta.
Em ainda outra modalidade preferida, no dito sistema de acionamento, se encontra incluído um dispositivo armazenador de energia, que pode ser uma batería, que é conectada ao dispositivo elétrico do sistema de acionamento. A força pode ser transmitida do dispositivo armazenador de potência para o dispositivo armazenador de energia, e vice-versa. Ao dispor os enrolamentos no estator de modo a que os mesmos sejam inteiramente controlados independentemente entre si, em cada momento, pode ser utilizada uma batería em um sistema de acionamento de uma maneira ótima, com relação ao descarregamento e recarregamento. Em um veículo híbrido que é acionado na posição de operação de batería do mesmo, isto é, quando o motor a combustível do veículo não é utilizado, por exemplo, durante propulsão de um ônibus em um ambiente urbano, os processos rápidos que necessitam de alta potência podem ser regulados através do volante de armazenamento de energia, enquanto uma energia contínua é alimentada ao sistema de acionamento através da batería do veículo durante a operação por meio de batería. Assim, em freadas rápidas e fortes, a energia é alimentada ao volante para ser acumulada, sendo acumulada para fora do mesmo quando a necessidade de energia se torna disponível, por exemplo, em variações de torque ou demandas de rápida aceleração do veículo.
Além disso, pelo fato de que ambos os enrolamentos do estator são idealizados para operar, respectivamente, em alta e baixa voltagem, o sistema possibilita a energia ser alimentada de modo bastante rápido ao volante e também a partir do volante através do enrolamento de alta voltagem, na medida em que a energia para a batería e proveniente desta é alimentada com apropriada voltagem através do enrolamento de baixa voltagem do estator. Os enrolamentos operam inteiramente de modo independente entre si e, portanto, a carga da batería pode ser adaptada de um modo que seja favorável à condição e período de duração da batería. A seguir, em cada momento, a batería pode operar em um modo que é apropriado para a batería, na medida em que variações de operação rápidas e que demandam potência, tais como, acelerações e fortes freadas, são administradas através do volante e do enrolamento de alta voltagem do estator, o que possibilita uma rápida transmissão de energia em um período de tempo bastante curto, para e a partir do volante do sistema.
Numa modalidade preferida, o volante é carregado com energia que tem de ser transmitida a partir de uma fonte externa. Em um veículo energizado por batería, ao se utilizar um sistema de acionamento apresentando um sistema de armazenamento de energia de acordo com a presente invenção, a bateria do veículo pode, por um lado, ser recarregada de uma maneira convencional em uma estação de recarga e o volante pode, por outro lado, ser carregado ao máximo de energia. Durante a operação, a energia acumulada no volante pode ser usada para a propulsão do veículo, aumentando, dessa forma, consideravelmente o raio de ação do veículo ou, alternativamente, a energia pode ser usada para uma continuada recarga da bateria do veículo. Desse modo, a bateria pode ser carregada continuamente durante um maior período de tempo, enquanto o tempo de permanência na estação de recarga se torna consideravelmente mais curto.
Numa modalidade preferida, o dito dispositivo gerador de fluxo magnético no rotor compreende ímãs permanentes.
Em outra modalidade preferida, o dito dispositivo gerador de fluxo magnético no rotor compreende um enrolamento do tipo gaiola.
Em uma adicional modalidade preferida, o dito rotor é montado com mancais magnéticos. 0 rotor, em uma adicional modalidade preferida, é montado com mancais magnéticos e mancais deslizantes.
Em uma adicional modalidade preferida, o dito estator é enrolado com uma certa distância ou folga.
Em uma adicional modalidade preferida, o dito dispositivo armazenador de energia é suspenso de modo giratório. Ao escolher um dispositivo armazenador de energia suspenso de modo giratório, as propriedades de acionamento do veículo serão afetadas apenas em uma pequena escala.
Em uma adicional modalidade preferida, o dito volante compreende pelo menos duas quantidades de massa rotativas, que são dispostas para girar em direções de rotação opostas, relativamente entre si. Ao utilizar quantidades de massa de rotação contrária, as forças que surgem no sistema quando de sua rotação são minimizadas.
Em uma adicional modalidade preferida, o dito rotor compreende um primeiro núcleo, um segundo núcleo e ainda um terceiro núcleo. 0 primeiro enrolamento é disposto na folga entre os primeiro e segundo núcleos e o segundo enrolamento é disposto na folga entre os segundo e terceiro núcleos. Através dessa configuração, os primeiro e segundo enrolamentos são magneticamente desconectados entre si e podem, portanto, operar inteiramente de modo independente entre si. 0 sistema de acordo com a presente invenção pode ser implementado em qualquer tipo de veiculo, por exemplo, automóvel, trem, aeroplano, barco. 0 sistema acima descrito apresenta alta eficiência, acima de 90% e reaqe bastante rápido, na faixa de alguns milisegundos. 0 sistema é compacto, robusto e durável, que é um pré-requisito para uso em ambientes de desgaste, como é o caso da maioria de tipos de veiculos. O sistema é responsável por gerar e absorver alta potência.
Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 mostra um sistema de acionamento de um veiculo, tendo um sistema armazenador de energia de acordo com a presente invenção. A figura 2 mostra um adicional sistema de acionamento de um veiculo, tendo um sistema armazenador de energia de acordo com a presente invenção. A figura 3 mostra um dispositivo armazenador de energia que é compreendido no sistema de acordo com a presente invenção. A figura 4 mostra uma modalidade do estator compreendido no dispositivo armazenador de energia.
Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas A figura 1 mostra um sistema de armazenamento de energia de acordo com a presente invenção. Um dispositivo armazenador de energia (20), tendo um estator (24) e um rotor (21) que é conectado a um volante (22) é - através de um primeiro conversor (10), uma transmissão de corrente continua (13) e um segundo conversor (11) - disposto para transmitir energia para e a partir de um dispositivo elétrico (12). 0 volante (22) compreende uma quantidade de massa rotativa (23). Quando a energia é transmitida do dispositivo elétrico (12) para o dispositivo armazenador de energia (20), que, por exemplo, é o caso de retardamento de um veiculo acionado eletricamente, o dispositivo (12) opera como gerador e a energia é transmitida a partir do dispositivo (12), através do conversor (11), da transmissão de corrente continua (13) e do conversor (10) para um enrolamento (não mostrado na figura) compreendido no estator (24), sendo depois armazenada no volante (22) na forma de energia cinética, na massa rotativa (23) . A energia cinética armazenada na massa rotativa (23) pode, em seguida, se necessário, ser correspondentemente transmitida para o dispositivo elétrico. Dessa forma, o dispositivo elétrico opera como um motor. Esse sistema pode ser usado na linha de acionamento de um veiculo e o dispositivo armazenador de energia (20) pode ser usado tanto como amortecedor de força, como amortecedor de energia. O estator compreende dois enrolamentos, em que o primeiro enrolamento é idealizado para baixa voltagem, para transmissão de energia de baixa potência, enquanto o segundo enrolamento é idealizado para alta voltagem, para transmissão de energia de alta potência. 0 enrolamento do estator em que a alta potência é transmitida é disposto para operar em alta voltagem, acima de 380 V, preferencialmente, no intervalo de 1-24 kV. Graças a isso, o sistema se responsabiliza para manipular o surgimento de alta potência, por exemplo, quando da ocorrência de fortes retardamentos. A figura 2 mostra um sistema apresentando um dispositivo armazenador de energia (14) que pode ser uma batería, uma cuba de combustível ou outro dispositivo de energia quimicamente armazenada, tal como, um tanque de combustível de um motor de combustão interna, e um dispositivo armazenador de energia (20), compreendendo um estator (24) e um rotor (21) conectado a um volante (22) tendo uma quantidade de massa rotativa (23). 0 estator (24) é dotado de um primeiro e segundo enrolamento (não mostrado na figura). Os respectivos enrolamentos são dispostos para operar, respectivamente, sob baixa voltagem e alta voltagem. Por baixa voltagem significa dizer uma voltagem inferior a 380 V e por alta voltagem significa dizer uma voltagem superior a 380 V. O rotor (21) é dotado de um adequado dispositivo gerador de fluxo magnético, tal como, por exemplo, ímãs permanentes ou um enrolamento de indução. O volante (22) é idealizado para acúmulo e rápida transmissão de energia para o sistema de acionamento e a partir deste. Além disso, o sistema armazenador de energia compreende dois conversores (10) e (11) tendo uma intermediária transmissão de corrente contínua (13). Um dos conversores, o conversor (11) é disposto em conexão com um dispositivo elétrico (12). Como no sistema mostrado na figura 1, o dispositivo elétrico (12) opera como motor ou como gerador, dependendo do modo de operação presente.
Quando do retardamento de um veículo fornecido com esse sistema, o dispositivo (12) opera como um gerador e a energia gerada é transmitida através do conversor (11) e transmissão de corrente contínua (13), que pode operar em alta voltagem, por exemplo, 1,2 kV, através do conversor (10) para o enrolamento de alta voltagem do estator e, posteriormente, para o dispositivo armazenador de energia (20) , onde a energia é armazenada na forma de energia cinética, na massa rotativa (23) do volante. Pelo fato de que a energia é transmitida em alta voltagem a partir do enrolamento de alta voltagem do estator, altas intensidades de força, tais como, força de frenagem e o forte retardamento do veículo, podem ser usadas e armazenadas. A energia acumulada no volante pode, em seguida, ser usada em processos rápidos, tais como, variações de torque ou rápida aceleração de um veículo, quando a energia do volante pode ser trazida de volta de modo rápido para o sistema de acionamento através do enrolamento de alta voltagem do estator. Alternativamente, no caso em que o dispositivo armazenador de energia (14) consistir de uma batería, a energia armazenada no volante pode ser usada para recarregar a bateria. Depois, a energia é transmitida em baixa potência e baixa voltagem para a bateria através do enrolamento de baixa voltagem do estator. A figura 3 mostra um dispositivo armazenador de energia do tipo que é compreendido em ambos os sistemas acima descritos conforme mostrado nas figuras 1 e 2. O rotor (21) é montado com um mancai de articulação (25) e um mancai guia (26), respectivamente. Os mancais podem ser mancais convencionais ou mancais magnéticos ou uma combinação de mancais magnéticos e mancais deslizantes. O rotor (21) é conectado a um volante (22), fornecido com uma quantidade de massa rotativa (23) . Além disso, o dispositivo armazenador de energia compreende um estator (24), fornecido com um primeiro e segundo enrolamento (não mostrado na figura). Durante a operação, a energia é transmitida entre o estator (24) e o rotor (21), dessa forma, o volante (22) tendo massa rotativa (23) através de um dos enrolamentos do estator. A figura 4 mostra uma modalidade de um estator enrolado com folga. Um primeiro enrolamento (31) é disposto entre primeiro e segundo núcleos (32, 33) dispostos no rotor. Um segundo enrolamento (31) é disposto entre o segundo núcleo (33) e um terceiro núcleo (34), dispostos no rotor. Através dessa configuração, o primeiro enrolamento (30) e o segundo enrolamento (31) são magneticamente desconectados entre si e podem, dessa forma, ser controlados inteiramente e de modo independente entre si. 0 estator e o rotor do dispositivo armazenador de energia podem ser dispostos para operar com o fluxo magnético dirigido radialmente ou axialmente. A presente invenção não se limita às modalidades acima apresentadas como exemplos, pelo que podem ser feitas modificações dentro do escopo da idéia geral, conforme a descrição apresentada nas reivindicações anexas.

Claims (17)

1. Sistema de armazenamento de energia, idealizado para transmitir energia para um sistema de acionamento de um veiculo e também a partir do mesmo, o dito sistema de acionamento compreendendo pelo menos um dispositivo elétrico (12), compreendendo um dispositivo armazenador de energia (20) tendo um enrolamento (24) fornecido em um estator e pelo menos um rotor (21) fornecido com um dispositivo gerador de fluxo magnético, dito rotor (21) sendo conectado a pelo menos um volante (22) , idealizado para armazenar energia na forma de energia cinética em pelo menos uma quantidade de massa rotativa (23) , o dito dispositivo armazenador de energia (20) sendo disposto para transmitir energia para o dito dispositivo elétrico (12) e a partir do mesmo, caracterizado em que o dito estator (24) compreende pelo menos um primeiro enrolamento (30), disposto para operar em baixa voltagem, assim como, um segundo enrolamento (31), disposto para operar em alta voltagem, os ditos primeiro e segundo enrolamentos sendo dispostos para operar de modo independente entre si.
2. Sistema de armazenamento de energia de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado em que é compreendido pelo menos um dispositivo armazenador de energia (14), cujo armazenamento de energia é conectado ao dito dispositivo elétrico (12), e em que o dito dispositivo armazenador de energia (20) é disposto para transmitir energia para o dito dispositivo armazenador de energia (14) e a partir do mesmo.
3. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado em que o dito dispositivo armazenador de energia (20) é disposto para receber energia que foi transmitida a partir de uma fonte externa.
4. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito dispositivo gerador de fluxo magnético no rotor (21) compreende imãs permanentes.
5. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações 1-3, caracterizado em que o dito dispositivo gerador de fluxo magnético no rotor (21) compreende um enrolamento do tipo gaiola.
6. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito rotor (21) é montado com mancais magnéticos.
7. Sistema de armazenamento de energia de acordo com a reivindicação 6, caracterizado em que o dito rotor (21) é montado com mancais deslizantes.
8.. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito primeiro enrolamento (30) é disposto para operar em uma voltagem que é inferior a 380 V.
9. Sistema de armazenamento de energia de acordo com a reivindicação 8, caracterizado em que o dito primeiro enrolamento (30) é disposto para operar em uma voltagem que se encontra no intervalo de 6-50 V.
10. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito segundo enrolamento (31) é disposto para operar em uma voltagem que é superior a 380 V.
11. Sistema de armazenamento de energia de acordo com a reivindicação 10, caracterizado em que o dito segundo enrolamento (31) é disposto para operar em uma voltagem que se encontra no intervalo de 1-24 kV.
12. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito estator (24) é enrolado com folga.
13. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito dispositivo armazenador de energia (20) é suspenso de modo rotativo.
14. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito volante (22) compreende duas quantidades de massa rotativas (23) , que são dispostas para girar em direções opostas de rotação, relativamente entre si.
15. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que pelo menos um dos ditos enrolamentos (30, 31) compreende um condutor envolvido por uma primeira camada semicondutora, dita primeira camada semicondutora sendo depois envolvida por uma camada de isolamento fixo, dita primeira camada de isolamento fixo sendo depois envolvida por uma segunda camada semicondutora.
16. Sistema de armazenamento de energia de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado em que o dito rotor (24) compreende um primeiro núcleo (32), um segundo núcleo (33) e ainda um terceiro núcleo (34), o primeiro enrolamento (30) do estator sendo disposto entre os ditos primeiro (32) e segundo (33) núcleos e o segundo enrolamento (31) do estator sendo disposto entre os ditos segundo (33) e terceiro (34) núcleos.
17. Veiculo dotado de um sistema de armazenamento de energia, de acordo com o disposto em quaisquer das reivindicações 1-16.
BRPI0316371-7A 2002-11-18 2003-11-17 Sistema de armazenamento de energia BR0316371B1 (pt)

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