ES2291704T3 - Sistema para el almacenamiento de potencia. - Google Patents

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Abstract

Sistema de almacenamiento de potencia, destinado aSistema de almacenamiento de potencia, destinado a transmitir potencia hacia y desde un sistema de a transmitir potencia hacia y desde un sistema de accionamiento de un vehículo, comprendiendo dicho sccionamiento de un vehículo, comprendiendo dicho sistema de accionamiento al menos un aparato eléctristema de accionamiento al menos un aparato eléctrico (12), comprendiendo un almacenamiento (20) de ico (12), comprendiendo un almacenamiento (20) de potencia que tiene un devanado (24) dispuesto en epotencia que tiene un devanado (24) dispuesto en el estator y al menos un rotor (21) provisto de un l estator y al menos un rotor (21) provisto de un dispositivo generador de flujo magnético, estando dispositivo generador de flujo magnético, estando conectado dicho rotor (21) al menos a un volante (conectado dicho rotor (21) al menos a un volante (22) destinado al almacenamiento de energía en form22) destinado al almacenamiento de energía en forma de energía cinética en al menos una masa giratora de energía cinética en al menos una masa giratoria (23), estando configurado dicho almacenamiento ia (23), estando configurado dicho almacenamiento (20) de potencia para transmitir potencia hacia y (20) de potencia para transmitir potencia hacia y desde dicho aparato eléctrico (12), caracterizado desde dicho aparato eléctrico (12), caracterizado porque dicho estator (24) comprende al menos un prporque dicho estator (24) comprende al menos un primer devanado (30) configurado para funcionar con imer devanado (30) configurado para funcionar con una tensión baja, así como un segundo devanado (31una tensión baja, así como un segundo devanado (31) configurado para funcionar con una tensión alta,) configurado para funcionar con una tensión alta, estando organizados dichos primer y segundo devan estando organizados dichos primer y segundo devanados para funcionar independientemente uno del otrados para funcionar independientemente uno del otro. o.

Description

Sistema para el almacenamiento de potencia.
Campo técnico de la invención
La presente invención está relacionada con un sistema de almacenamiento de potencia, destinado a almacenar y transmitir la potencia hacia y desde un sistema de accionamiento de un vehículo. El sistema comprende un almacenamiento de potencia que tiene un estator provisto de un devanado y al menos un rotor provisto de un dispositivo generador de flujo magnético. El rotor está conectado al menos a un volante destinado al almacenamiento de energía en forma de energía cinética en al menos un masa giratoria. El sistema de accionamiento comprende un aparato eléctrico, estando configurado el almacenamiento de potencia para transmitir potencia hacia y desde dicho aparato eléctrico.
Técnica anterior
Los sistemas de almacenamiento de potencia que tienen un volante cargado por un objeto de accionamiento y que sirve posteriormente como fuente de potencia, por ejemplo, para un motor eléctrico, se utilizan entre otras cosas para accionar sistemas tales como una unidad motriz del vehículo. Sin embargo, los sistemas conocidos están limitados; la capacidad de almacenamiento de energía está limitada por muchos factores tales como el peso del sistema, los requisitos de seguridad, la disponibilidad de materiales adecuados, así como la disponibilidad de sistemas de accionamiento adecuados para la recarga del volante y para la descarga del mismo. En una unidad motriz de un vehículo híbrido, se encuentra un almacenamiento de energía, que puede ser, por ejemplo, una batería y/o un depósito de combustible, un motor de accionamiento eléctrico y/o un motor de combustión interna.
Para poder hacer uso de la energía en la deceleración de un vehículo, por ejemplo un automóvil o un tren, se requiere un sistema rápido que se ocupe de transmitir y almacenar grandes potencias. Cuanto más fuerte es la deceleración, mayor es la potencia que el sistema debe poder manejar con el fin de hacer uso de la energía.
En el documento US 5 931 249 se ilustra un sistema conocido para el almacenamiento de la energía cinética. El sistema descrito de acuerdo con el documento comprende un volante, destinado a la acumulación y descarga de la energía, respectivamente, que está acoplado a un aparato eléctrico que funciona como motor y como generador, respectivamente, dependiendo de que la energía sea alimentada hacia o desde el volante. Cuando el sistema se utiliza en un vehículo, el vehículo puede ser accionado por el volante durante periodos de tiempo más cortos. El volante gira a una velocidad alta en vacío. Junto con el sistema descrito, se requieren corrientes altas, lo que da como resultado unas pérdidas altas si hay que administrar potencias altas. Por tanto, el sistema conocido no es adecuado para potencias altas.
Las baterías actuales están limitadas con respecto a la potencia que pueden transportar. Esto conlleva que el tiempo de carga para los vehículos accionados por baterías implica varias horas. Un vehículo accionado por baterías no puede ser accionado más que durante un recorrido limitado antes de que el vehículo tenga que ser llevado a una estación de recarga y ser recargado en ella durante un tiempo relativamente largo, antes de que el vehículo tenga nuevamente una cierta autonomía, frecuentemente en el ámbito de 100 km.
Breve descripción de la invención
La invención de acuerdo con la presente solicitud pretende proporcionar un sistema de almacenamiento de potencia destinado al almacenamiento y descarga de energía en un sistema de accionamiento de un vehículo, que resuelve los problemas anteriormente descritos. El sistema comprende un almacenamiento de potencia que tiene un estator provisto de dos devanados y un rotor provisto de un dispositivo generador de flujo magnético. El primer devanado del estator está destinado a la baja tensión para la transmisión de energía de baja potencia, mientras que el segundo devanado está destinado a la alta tensión para la transmisión de alta potencia. El rotor está conectado a un volante destinado al almacenamiento de energía cinética en al menos una masa giratoria. El sistema de almacenamiento de potencia está configurado para transmitir potencia en ambas direcciones, entre el almacenamiento de potencia y un aparato eléctrico comprendido en el sistema de accionamiento. Eligiendo la disposición del estator con un devanado de alta tensión, se puede transmitir una potencia muy alta en ambas direcciones del sistema. Gracias a esto, el sistema se hace muy rápido y puede administrar la potencia que es desarrollada durante procesos dinámicos rápidos.
Con baja tensión se quiere decir tensiones por de debajo de 380 V y con alta tensión se quiere decir tensiones por encima de 380 V.
En un modo de realización preferido, dicho primer devanado está configurado para funcionar con una tensión que está en el intervalo de 6 - 50 V.
En un modo de realización preferido adicional, dicho segundo devanado está configurado para funcionar con una tensión que está en el intervalo de 1 - 24 kV.
En un modo de realización preferido adicional, al menos uno de dichos devanados comprende un conductor rodeado por una primera capa semiconductora; después, dicha primera capa semiconductora es rodeada por una capa de aislante fijo; después, dicha primera capa de aislante fijo es rodeada por una segunda capa semiconductora. Por medio de un devanado que tenga este tipo de sistema de aislamiento, se puede transmitir una potencia muy alta.
En un modo de realización preferido adicional, en dicho sistema de accionamiento hay comprendido un almacenamiento de energía, el cual puede ser una batería, que puede estar conectada con el aparato eléctrico del sistema de accionamiento. La potencia puede ser transmitida desde el almacenamiento de potencia al almacenamiento de energía y viceversa. Disponiendo los devanados en el estator de tal forma que se controlen de manera totalmente independiente entre sí, en cada instante se puede utilizar una batería en un sistema de accionamiento de una manera óptima con respecto a la descarga y a la recarga. En un vehículo híbrido que esté siendo accionado en la posición de funcionamiento de la batería del mismo, es decir, cuando no se utiliza el motor de combustible del vehículo, por ejemplo durante la conducción de un autobús en un entorno urbano, se pueden regular procesos rápidos que requieran una potencia alta a través del almacenamiento de potencia/volante, mientras que se alimenta una energía continua al sistema de accionamiento a través de la batería del vehículo, durante el funcionamiento de la batería. Así, en las deceleraciones rápidas y fuertes, se alimenta la energía al volante para su acumulación, y se alimenta desde él cuando hay un requisito de potencia como, por ejemplo, en las variaciones del par o en la demanda de aceleración rápida del vehículo.
Además, por el hecho de que ambos devanados del estator están destinados a funcionar con una tensión alta y baja, respectivamente, el sistema facilita que se entregue energía muy rápidamente hacia y desde el volante, a través del devanado de alta tensión, ya que la energía hacia y desde la batería se entrega con la tensión apropiada a través del devanado de baja tensión del estator. Los devanados funcionan de manera totalmente independiente entre sí, y por tanto la carga de la batería puede ser adaptada de una manera que es favorable para las condiciones y vida útil de la batería. Por tanto, en cada instante la batería puede funcionar de una manera que es apropiada para la batería, mientras que las variaciones rápidas y de la demanda de potencia de funcionamiento, tales como las aceleraciones y las deceleraciones fuertes, son administradas a través del volante y del devanado de alta tensión del estator, lo cual facilita la rápida transmisión de energía en un tiempo muy corto hacia y desde el volante del sistema.
En un modo de realización preferido, el volante está cargado con una energía que ha sido transmitida desde una fuente externa. En un vehículo accionado por baterías, al utilizar un sistema de accionamiento que tenga un sistema de almacenamiento de potencia de acuerdo con la presente invención, la batería del vehículo puede ser recargada, por una parte, de una manera convencional en una estación de recarga y, por otra parte, el volante puede ser cargado con energía de manera máxima. Durante el funcionamiento, la energía acumulada en el volante puede ser utilizada después para la propulsión del vehículo, aumentando así la autonomía del vehículo considerablemente o, alternativamente, la energía puede ser utilizada para la recarga continuada de la batería del vehículo. De esta manera, la batería puede ser cargada continuamente durante un periodo de tiempo mayor, mientras que el tiempo de parada en la estación de recarga se hace considerablemente más corto.
En un modo de realización preferido, dicho dispositivo generador de flujo magnético en el rotor comprende imanes permanentes.
En otro modo de realización preferido, dicho dispositivo generador de flujo magnético en el rotor comprende un devanado en jaula de ardilla.
En otro modo más de realización preferido, dicho rotor está montado con cojinetes magnéticos.
El rotor, en otro modo más de realización preferido, está montado con cojinetes magnéticos y con cojinetes deslizantes.
En un modo de realización preferido adicional, dicho estator está devanado con un entrehierro.
En un modo de realización adicional preferido, dicho almacenamiento de potencia está suspendido en un giroscopio. Eligiendo un almacenamiento de potencia suspendido en un giroscopio, las propiedades de accionamiento del vehículo solamente quedarán afectadas en pequeña escala.
En un modo de realización adicional preferido, dicho volante comprende al menos dos masas giratorias que están dispuestas para girar en direcciones de rotación opuestas entre sí. Utilizando masas que giran en dirección contraria, las fuerzas que surgen en el sistema al girar las mismas se hacen mínimas.
En un modo de realización preferido adicional, dicho rotor comprende un primer núcleo, un segundo núcleo así como un tercer núcleo. El primer devanado está dispuesto en el entrehierro entre el primer y el segundo núcleos, y el segundo devanado está dispuesto en el entrehierro entre el segundo y el tercer núcleos. Por medio de esta configuración, el primer y el segundo devanados están magnéticamente desconectados entre sí y pueden funcionar de manera totalmente independiente entre ellos.
El sistema de acuerdo con la presente invención puede ser utilizado conjuntamente con cualquier vehículo, por ejemplo un automóvil, un tren, un avión o un barco. El sistema anteriormente descrito tiene una eficiencia alta, por encima del 90%, y reacciona muy rápidamente, en la gama de unos pocos milisegundos. El sistema es compacto, robusto y duradero, lo cual es un prerrequisito para el uso en entornos adversos, que es el caso en la mayoría de los tipos de vehículos. El sistema logra generar y absorber potencias altas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra un sistema de accionamiento de un vehículo que tiene un sistema de almacenamiento de potencia de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 muestra un sistema de accionamiento adicional de un vehículo que tiene un sistema de almacenamiento de potencia de acuerdo con la presente invención.
La figura 3 muestra un almacenamiento de potencia que está comprendido en el sistema de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 muestra un modo de realización del estator comprendido en el almacenamiento de potencia.
Descripción detallada de modos de realización preferidos
La figura 1 ilustra un sistema de almacenamiento de potencia de acuerdo con la presente invención. Un almacenamiento 20 de potencia que tiene un estator 24 y un rotor 21, que está conectado a un volante 22 está dispuesto, a través de un primer convertidor 10, una transmisión 13 de corriente continua y un segundo convertidor 11, para transmitir potencia hacia y desde un aparato eléctrico 12. El volante 22 comprende una masa giratoria 23. Cuando se transmite potencia desde el aparato eléctrico 12 al almacenamiento 20 de potencia, que es el caso, por ejemplo, en la deceleración de un vehículo accionado eléctricamente, el aparato 12 funciona como generador y se transmite la potencia desde el aparato 12 a través del convertidor 11, la transmisión 13 de corriente continua y el convertidor 10 a un devanado (no ilustrado en la figura) comprendido en el estator 24, y después es almacenado en el volante 22 en forma de energía cinética en la masa giratoria 23. La energía cinética almacenada en la masa giratoria 23 puede ser transmitida después correspondientemente, si se requiriera, al aparato eléctrico. Después, el aparato eléctrico funciona como un motor. El sistema puede ser utilizado en la unidad motriz de un vehículo, y el almacenamiento 20 de potencia se utiliza por tanto como almacén intermedio de potencia y como almacén intermedio de energía. El estator comprende dos devanados, estando destinado el primer devanado a la baja tensión para la transmisión de energía de baja potencia, mientras que el segundo devanado está destinado a la alta tensión para la transmisión de alta potencia. El devanado del estator en el cual se transmite la alta potencia, está configurado para funcionar con una alta tensión por encima de 380 V, preferiblemente en el intervalo de 1 - 24 kV. Con dicha configuración, se puede transmitir una potencia muy alta hacia y desde el almacenamiento 20 de potencia. Gracias a esto, el sistema administra las altas potencias que surgen, por ejemplo, con deceleraciones fuertes.
La figura 2 muestra un sistema que tiene un almacenamiento 14 de energía que puede ser una batería, una pila de combustible, u otra energía almacenada químicamente, tal como un depósito de combustible de un motor de combustión interna, y un almacenamiento 20 de potencia que comprende un estator 24 y un rotor 21 conectados a un volante 22 que tiene una masa giratoria 23. El estator 24 está provisto de un primer y un segundo devanados (no ilustrados en la figura). Los respectivos devanados están configurados para funcionar con baja tensión y con alta tensión, respectivamente. Con baja tensión se quiere decir tensiones inferiores a 380 V y con alta tensión se quiere decir tensiones superiores a 380 V. El rotor 21 está provisto de un dispositivo generador de flujo magnético adecuado tal como, por ejemplo, imanes permanentes o un devanado de inducción. El volante 22 está destinado a la acumulación y rápida transmisión de potencia hacia y desde el sistema de accionamiento. Además, el sistema de almacenamiento de potencia comprende dos convertidores 10 y 11, que tienen una transmisión intermedia 13 de corriente continua. Uno de los convertidores, el convertidor 11, está dispuesto en conexión con un aparato eléctrico 12. Como en el sistema ilustrado en la figura 1, el aparato eléctrico 12 funciona como motor o como generador dependiendo del modo de funcionamiento en curso. En la deceleración de un vehículo provisto de este sistema, el aparato 12 funciona como generador y la potencia generada se transmite a través del convertidor 11 y la transmisión 13 de corriente continua, que pueden funcionar a tensiones altas, por ejemplo 1,2 kV, a través del convertidor 10, al devanado de alta tensión del estator, y además al almacenamiento 20 de potencia, donde la energía es almacenada en forma de energía cinética en la masa giratoria 23 del volante. Por el hecho de que la potencia se transmite a una alta tensión desde el devanado de alta tensión del estator, se puede hacer uso y almacenar potencias altas, tales como la potencia de frenado en una deceleración fuerte del vehículo. La potencia acumulada en el volante puede ser utilizada posteriormente en procesos rápidos, tales como las variaciones de par o una rápida deceleración de un vehículo, cuando la energía del volante puede ser devuelta muy rápidamente al sistema de accionamiento, a través del devanado de alta tensión del estator. Alternativamente, en el caso en que el almacenamiento 14 de energía consista en una batería, la energía almacenada en el volante puede ser utilizada para recargar la batería. Después, la energía es transmitida con baja potencia y baja tensión a la batería, a través del devanado de baja tensión del estator.
La figura 3 muestra un almacenamiento de potencia del tipo que está comprendido en ambos sistemas anteriormente descritos, de acuerdo con las figuras 1 y 2. El rotor 21 está montado con un cojinete radial 25 y un cojinete guía 26, respectivamente. Los cojinetes pueden ser cojinetes convencionales o magnéticos, o una combinación de cojinetes magnéticos y cojinetes deslizantes. El rotor 21 está conectado a un volante 22 provisto de una masa giratoria 23. Además, el almacenamiento de potencia comprende un estator 24 provisto de un primer y un segundo devanados (no ilustrados en la figura). Durante el funcionamiento, la potencia se transmite entre el estator 24 y el rotor 21, y por ello el volante 22 con la masa giratoria 23, a través de uno de los devanados del
estator.
La figura 4 muestra un modo de realización de un estator 24 devanado con un entrehierro. Hay dispuesto un primer devanado 31 entre el primer y segundo núcleos 32, 33 dispuestos en el rotor. Hay dispuesto un segundo devanado 31 entre el segundo núcleo 33 y un tercer núcleo 34 dispuestos en el rotor. Por medio de esta configuración, el primer devanado 30 y el segundo devanado 31 están magnéticamente desconectados entre sí y, por eso, pueden ser controlados de manera totalmente independiente entre sí. Las flechas 35 muestran la dirección del campo magnético.
El estator y el rotor del almacenamiento de potencia pueden estar dispuestos de manea que funcionen con flujo magnético dirigido radialmente o bien axialmente.
La invención no está limitada a los modos de realización anteriores ofrecidos como ejemplos, sino que puede ser realizada con modificaciones dentro del alcance de la idea general de acuerdo con la invención descrita en las reivindicaciones anexas.

Claims (17)

  1. \global\parskip0.980000\baselineskip
    1. Sistema de almacenamiento de potencia, destinado a transmitir potencia hacia y desde un sistema de accionamiento de un vehículo, comprendiendo dicho sistema de accionamiento al menos un aparato eléctrico (12),
    comprendiendo un almacenamiento (20) de potencia que tiene un devanado (24) dispuesto en el estator y al menos un rotor (21) provisto de un dispositivo generador de flujo magnético, estando conectado dicho rotor (21) al menos a un
    volante (22) destinado al almacenamiento de energía en forma de energía cinética en al menos una masa giratoria (23),
    estando configurado dicho almacenamiento (20) de potencia para transmitir potencia hacia y desde dicho aparato eléctrico (12),
    caracterizado porque
    dicho estator (24) comprende al menos un primer devanado (30) configurado para funcionar con una tensión baja, así como un segundo devanado (31) configurado para funcionar con una tensión alta, estando organizados dichos primer y segundo devanados para funcionar independientemente uno del otro.
  2. 2. Sistema de almacenamiento de potencia, según la reivindicación precedente,
    caracterizado porque
    al menos hay comprendido un almacenamiento (14) de energía, estando conectado dicho almacenamiento de energía con dicho aparato eléctrico (12), estando organizado dicho almacenamiento (20) de potencia para transmitir potencia hacia y desde dicho almacenamiento (14) de energía.
  3. 3. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2,
    caracterizado porque
    dicho almacenamiento (20) de potencia está configurado para recibir la potencia que ha sido transmitida desde una fuente externa.
  4. 4. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho dispositivo generador de flujo magnético del rotor (21) comprende imanes permanentes.
  5. 5. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3,
    caracterizado porque
    dicho dispositivo generador de flujo magnético del rotor (21) comprende un devanado en jaula de ardilla.
  6. 6. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho rotor (21) está montado con cojinetes magnéticos.
  7. 7. Sistema de almacenamiento de potencia, según la reivindicación 6,
    caracterizado porque
    dicho rotor (21) está montado también con cojinetes deslizantes.
  8. 8. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho primer devanado (30) está configurado para funcionar con una tensión que es inferior a 380 V.
  9. 9. Sistema de almacenamiento de potencia, según la reivindicación 8,
    caracterizado porque
    dicho primer devanado (30) está configurado para funcionar con una tensión que está en el intervalo 6 - 50 V.
  10. 10. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho segundo devanado (31) está configurado para funcionar con una tensión que es superior a 380 V.
  11. 11. Sistema de almacenamiento de potencia, según la reivindicación 10,
    caracterizado porque
    dicho segundo devanado (31) está configurado para funcionar con una tensión que está en el intervalo 1 - 24 kV.
  12. 12. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho estator (24) está devanado con un entrehierro.
  13. 13. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho almacenamiento (20) de potencia está suspendido en un giroscopio.
  14. 14. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho volante (22) comprende dos masas giratorias (23) que están dispuestas para girar en direcciones de rotación opuestas, una con respecto a la otra.
  15. 15. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    al menos uno de dichos devanados (30, 31) comprende un conductor rodeado por una primera capa semiconductora, estando rodeada después dicho primera capa semiconductora por un capa de aislante fijo, y estando rodeada después dicha primera capa de aislante fijo por una segunda capa semiconductora.
  16. 16. Sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes,
    caracterizado porque
    dicho rotor (24) comprende un primer núcleo (32), un segundo núcleo (33), así como un tercer núcleo (34), estando dispuesto el primer devanado (30) del estator entre dicho primer (32) y dicho segundo (33) núcleos y estando dispuesto el segundo devanado (31) del estator entre dicho segundo (33) y dicho tercer (34) núcleos.
  17. 17. Vehículo provisto de un sistema de almacenamiento de potencia, según cualquiera de las reivindicaciones 1 - 16.
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