BRPI1105670A2 - Método e aparelho aperfeiçoados para geração de energia - Google Patents

Abstract

Método e aparelho aperfeiçoados para geração de energia. É fornecido um método e aparelho para obter eficiência de geração de força aperfeiçoada ao operar a fonte primária de força, como um ice, somente em modos mais eficientes para uma dada máquina, e simultaneamente suplementar a força fornecida pelo ice com força adicional armazenada em um acumulador, como um ultracapacitor, na medida em que a demanda de carga faria o ice operar fora dos modos de operação mais eficientes. No caso de um veículo elétrico híbrido, a presente invenção usaria bancos de ultracapacitores ao invés de baterias não somente para dar partida no ice, mas também para suplementar a energia elétrica disponível nos motores com tração quando o ice estiver em operação. De acordo com a presente invenção, um dispositivo de controle deveria manter o ice nos modos de operação específicos, tanto desligado, inativo, ou em condições de operação específica de combustível eficiente ao longo de toda a faixa de operação do veículo. Quando o veículo necessitar de mais força do que o ice pode fornecer em um dado modo operacional, o controlador possibilitaria que energia adicional fosse retirada do ultracapacitores até o momento que o ice possa ser mudado eficientemente para um modo diferente, o excesso de energia do ice quando em um modo de operação eficiente seria usado para recarregar os ultracapacitores.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E APARELHO APERFEIÇOADOS PARA GERAÇÃO DE ENERGIA". Antecedentes e Resumo da Invenção A presente invenção se refere de modo geral a métodos e aparelhos para a geração de energia, e mais especificamente, para fornecer força motriz veicular em um veículo elétrico na forma híbrida.

Uma grande variedade de sistemas de geração de energia é conhecida e usada. No entanto, estas fontes de energia Normalmente possuem variações em seu nível de eficiência, dependendo de como a fonte de Energia é operada em um dado momento. Por exemplo, com máquinas de combustão interna (frequentemente referidas como "máquinas IC" ou "ICEs") a eficiência do combustível varia de acordo com diversos fatores, tais como a velocidade de operação e o torque que são amotor. Além disso, as cargas que são aplicadas à muitas fontes de energia podem variar com o tempo, e esta carga pode afetar a eficiência da fonte de energia. Com um ICE em um veículo, por exemplo, a carga poderá variar conforme o peso da carga no veículo, a aceleração, a subida em aclive e velocidade do veículo. Geralmente e, por exemplo, a condição de operação mais eficiente ou modo de operação de um dado ICE poderá ser de aproximadamente uma metade da capacidade máxima de informação liberada. É desejável aperfeiçoar a eficiência das fontes de energia por uma variedade de razões bem conhecidas. Vários métodos e aparelhos têm sido usados na tentativa de melhorar a eficiência, porém, cada um desses ficou sujeito a certas desvantagens e limitações. Desta maneira, estes aperfeiçoamentos permaneceram, por longo tempo, como uma necessidade.

Veículos a motor têm utilizado há muitos anos fontes de força portátil, tais como as motores de combustão interna. Baterias de armazenagem elétrica têm sido usadas em veículos motorizados para auxiliar a partida do ICE. Recentemente, foram feitas tentativas de aperfeiçoar a eficiência do combustível dos veículos usando baterias não apenas para dar partida o ICE, mas também para acelerar o veículo em velocidades baixas e/ou em trajetos de curta distância. Fora da faixa de operação, as baterias não são a única fonte de energia e o ICE é ligado para energizar o veículo e carregar as baterias normalmente em um ICE, não obstante algumas vezes os motores de acionamento elétrico para tração individual mais do que articulação de transmissão mecânica como as encontrados nos veículos convencionais.

No entanto, estes sistemas de energia elétrica híbrida possuem certas desvantagens. Normalmente as baterias necessária para a energia extra, têm precisado de significativo peso adicional a ser acrescentado na carga do veículo. Além disso, as perdas de energia térmica nas baterias, particularmente na medida em que vão sendo repetidamente recarregadas e descarregadas ao longo do tempo, pode ser significativa. Ademais, baterias frequentemente possuem um ciclo de vida de repuxo profundo relativamente curta, o que significa que somente podem ser totalmente descarregadas e carregadas algumas centenas de vezes antes do desgaste. Assim como, as baterias que são econômicas para o mercado consumidor frequentemente não possuem a potência necessária para o veículo em longos períodos de tempo e/ou em altas velocidades.

Além disso, possuir baterias como dispositivos de armazenagem de energia pode limitar a quantidade freagem regenerativa que poderá ser aplicada. As baterias também podem não ser capazes de absorver sobre-tensão como durante cargas inesperadas de ICE, como em uma aceleração inesperada ou freagem brusca. Finalmente, com a atual tecnologia de baterias, poderá se tornar difícil manter o ICE em seu sistema ou modos de operação. Consequentemente, no presente momento os veículos elétricos híbridos não possuem um uso difundido e são mais caros para serem produzidos do que os veículos anteriores energizados somente por um ICE.

Um objetivo da presente invenção é fornecer um mais eficiência avançada, particularmente eficiência de combustível, nos sistemas de geração de força, e particularmente aqueles usados em veículos motorizados. A presente invenção, alcança esta eficiência aperfeiçoada ao operar a fonte de energia primária, tal como um ICE, somente em modos mais eficientes para um dado motor, e depois suplementa a energia com força adicional armazenada em um acumulador, tal como um ultra capacitor, (condensador), a me- dida que o carregamento demanda seria de outra forma a causa da máquina operar fora dos moldes mais eficientes.

No caso de um veículo elétrico híbrido, a presente invenção usaria bancos de ultra-capacitores ao invés de baterias não apenas para acionar o ICE, mas também para suplementar a força elétrica disponível para motores de tração traseira iriam manter o ICE a condições operacionais específicas, tanto desligado, inativo, ou velocidades de operação com combustível eficiente específico e torques sobre a inteira gama de veículos de operação. Quando um veículo necessitasse de mais energia do que o ICE pode fornecer em um dado modo operacional, o controlador possibilitaria uma força adicional para ser tirado dos ultracapacitores até o momento que o ICE pudesse ser ligado em um modo diferente. Sobretensão de um ICE quando no modo operacional seria usado para recarregar os ultracapacitores. O dispositivo de controle seria usado para manter o nível suficiente de energia nos ultracapacitores como um acumulador de força.

Outros objetos, vantagens, e características recentes da presente invenção ficarão claros a partir dos desenhos e das descrições detalhadas das modalidades.

Breve Descrição dos Desenhos: ■ Figura 1 mostra uma visão esquemática de uma modalidade preferida da presente invenção como adaptado para uso em um veículo motorizado.

Figura 2 mostra uma vista esquemática de uma arquitetura de controle adequada para a presente invenção.

Figura 3 Mostra uma vista esquemática de fluxo de força em uma modalidade preferida da presente invenção.

Figura 4 Mostra uma vista esquemática do dispositivo de controle ICE - a interação do ICE em uma modalidade preferida da presente invenção.

Figura 5 Mostra um fluxograma para a programação do dispositivo de controle da modalidade preferida da presente invenção.

Figura 6 é uma tabela de especificações da Figura 5.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferenciais: Na Figura 1, o veículo é acionado por motores elétricos associados com cada tração. Como usado neste documento, "força" pode ser melhor entendida como uma medição de energia usada ou gerada no tempo. A energia elétrica é fornecida para motores via um unidade ge-renciadora de energia que trata da necessidade de cada motor de acordo com os parâmetros operacionais do veículo em uma maneira convencional. A principal fonte de energia elétrica para a unidade de gerenciamento de energia é fornecida por um ICE acoplado a um gerador elétrico giratório, também na forma convencional. No entanto, incidente a presente invenção, um acumulador também fornece força elétrica a unidade gerenciadora. Em modalidades preferenciais especialmente, que o acumulador inclui tanto uma bateria convencional e um conjunto de ultracapacitor ou banco. A bateria poderá ser usada para manter a carga mínima necessária no ultracapacitor quando o veículo estiver armazenado, e/ou para fornecer energia de a partida de arranque ao ICE através do conversor.

Como alternativa, um fornecimento de força em terra (tal como a conexão de um fornecimento de energia doméstico) pode ser usado para manter a carga mínima necessária no ultracapacitor quando o veículo está armazenado. Além disso, em uma modalidade preferida, a saída do retifica-dor, o banco ultracapacitor, e os controladores de motor elétrico estão em uma configuração paralela, como mostrado na Figura 3. O princípio fundamental sobre o qual a presente invenção é baseada é que certos sistemas geradores de energia possuem grande variedade em eficiência dependendo da forma como são operados. Isto é bem claro no caso de características de eficiência do combustível do ICEs, como mostrado no gráficos da Figura 1. É mais eficaz fazer operar na faixa mais baixa ou próximo da faixa mais baixa de consumo de combustível específico de freagem ou "bsfc" por mais tempo possível e, quando substancialmente mais energia for necessária para altas cargas e/ou operação de longa duração, para depois modificar o ICE em um ou dois modos de alta potência que também são o combustível mais eficiente entre as velocidades mais altas velocidades. Referindo-se simplesmente, ao operar o ICE em condições de operação mais eficientes possíveis economiza combustível ao continuamente variar as condições de operação do ICE continuamente ou operanr continuamente o ICE longe do ótimo de bsfc. Para produzir uma força extra requisitada para a operação do veículo durante estas necessidades de troca de energia instantânea, a presente invenção causaria a descarga da energia elétrica de ultracapacitores como suplemento. Dependendo do modo de operação em especial, este suplemento substituiría a energia elétrica a base de ICE, retirado do energia elétrica a base de ICE baseado, ou retirado da e-nergia elétrica a base de ICE (para recarregar os ultracapacitores). O ICE, mecanicamente acoplado com, por exemplo, a gerador sem escovas de fases únicas ou um gerador de três fases em uma forma convencional, pode repetidamente carregar um ou mais bancos ultracapacitores através de um conversor ou retificador de energia de AC para DC ou outros dispositivos adequados para este propósito. A carga do ultracapacitor é monitorada e mantida nos níveis desejados através de um dispositivo controlador de ICE para ficar entre os limites mais inferiores e mais superiores da voltagem, de acordo com as necessidades de operação de um dado veículo. Este dispositivo de controle de preferência também liga o ICE entre desligado, inativo, e regime ótimo de operação bsfc ou modos de operação.

Na Figura 2, T(t) representa a temperatura de ICE, x(t) representa a distância percorrida, Vmin/max representa o mínimo e máximo de voltagem necessário, Vth(t) representa a voltagem liminar inferior, e I representa a corrente.

Em modalidades preferida, a construção incluiría acoplamento elétrico de saída do gerador através de um ou mais retificadores de energia para um banco ultracapacitor. Este banco deverá ser grande o suficiente para suportar o máximo de energia de voltagem da unidade de gerenciamento de energia/controlador do motor elétrico solicitado pelo veículo. Um ultracapacitor é considerado um capacitor elétrico com a capacidade de armazenamento de ao menos um farad de carga. Um banco de ultracapacitor de preferência inclui uma conexão em série de diversos módulos ultracapaci- tores individuais. Os ultracapacitores podem ser dispostos tanto como bancos únicos, vários bancos em paralelo, ou ao utilizar configurações paralelas de bancos em cascada (especialmente onde aplicações de alta potência são pretendidos). A saída do banco(s) de ultracapacitor(es) é conectada, por e-xemplo, em paralelo ao motor controlador elétrico convencional na unidade de gerenciamento de energia, conforme mostrado a Figura 3.

Como mostrado na Figura 4, a presente invenção inclui um dispositivo de controle conectado entre os ultracapacitores, o ICE, e várias sensores de velocidade da motor e outras fontes de dados do veículo. O dispositivo de controle passa o ICE através de certas condições específicas de operação. O dispositivo de controle adquire dados do veículo de várias fontes convencionais de forma a otimizar a eficiência de geração de energia de acordo com uma programação particular selecionada para aquele veículos e suas necessidades. Um fluxograma da programação representativa para o dispositivo de controle como mostra na Figura 5, como explicado nas especificações da Figura 6. A função do dispositivo de controle da presente invenção é um suplemento aos controladores de motor elétrico convencional em veículos elétricos de modo a permitir o uso inventivo de-ultracapacitores nestes veículos. É esperado que ambos os tipos de controles possam ser fisicamente integrados em uma unidade de gerenciamento de energia.

Nas modalidades preferidas descritas acima, a presente invenção pode aumentar significativamente a eficiência do combustível em veículos motorizados. Esta invenção alcança isto com um mínimo de peso e custo e fornece uma unidade de geração de energia elétrica robusta e híbrida com uma construção simplificada. No entanto, modalidades alternativas da presente invenção poderão também ser usadas em um extensor de alcance para veículos elétricos convencionais (a base de batería). Em adição, o conceito inventivo dos ultracapacitores pode ser usado para aumentar e aperfeiçoar os sistemas de geração de energia de veículos elétricos baseado nas células de combustível e outros processos de conversões de energia química. Ademais, a presente invenção poderá ser aplicada em usos não veiculares, como geradores de reserva e geradores de energia para obras civis.

Outras modalidades e aplicações da presente invenção estarão claras àqueles versados na técnica a partir da informação fornecida acima. Consequentemente, o espírito e escopo da presente invenção está limitado apenas pelo escopo das reivindicações listadas abaixo.

REINVINDICAÇÕES

Claims (6)

1. Um sistema de geração de energia compreendendo de: uma fonte de energia criando energia na sua saída durante a operação, esta fonte de energia criando energia na sua produção durante a operação, uma carga que recebe energia gerada, esta carga contendo variações nas suas demandas de força, um acumulador de energia conectado à produção de fonte de energia, e um dispositivo controlador conectado à fonte de força e uma a-cumulador de energia, o dispositivo controlador conectado à fonte de força e um acumulador de força, o dispositivo controlador servindo para operar a fonte de energia em seus níveis mais eficientes não importando ad variações de demanda da carga e para suplementar a energia com energia do acumulador de energia.

2. Um sistema de geração de energia da Reivindicação 1 em que: · A produção de energia que a fonte de força produz é energia e-létrica, e o acumulador de energia contém um fornecimento de energia elétrica.

3. Um sistema de geração de energia da Reivindicação 2 em que o acumulador de energia é conectado à uma fonte de energia de uma forma que recarrega o acumulador de energia com excesso de energia elétrica da fonte de energia durante a operação da fonte de energia.

4. O sistema de geração de energia da Reivindicação 3 em que: a fonte de energia inclui uma máquina de combustão interna a- coplada a um gerador elétrico giratório, e o acumulador de força é um capacitor elétrico capaz de armazenar a carga por ao menos um farad.

5. Um sistema de geração de força na Reivindicação 4 em que o acumulador de força é um ultracapacitor que é repetidamente carregado e descarregado de forma a operar o motor de combustão interna em uma eficiência de combustível ótimo durante pelo menos certas fases operacionais da máquina.

6. O sistema de geração de energia da Reivindicação 5 ainda compreendendo de: Um veículo com tração contendo um sistema neste, uma variedade de motores elétricos conectados à produção de energia para veículos guiados por tração, e um sistema de controle veicular para as demandas de controle de energia destes motores elétricos em resposta aos comandos do operador do veículo.