ES2554113T3 - Dispositivo de regeneración de energía para la recuperación de energía cinética en los vehículos a motor - Google Patents

Abstract

Vehículo a motor equipado con: - un alternador (20); y - un dispositivo regulador de regeneración de energía (1) para recuperar energía cinética, donde dicho dispositivo regulador de regeneración de energía (1) comprende: - al menos un sensor de aceleración (13) con un pasabanda que comprende una aceleración estática en una configuración de uno o varios ejes; - al menos un primer sumador (9) de una contribución acelerométrica a una referencia de tensión (10); - al menos un integrador a largo plazo (12) de una aceleración para proporcionar una referencia de aceleración nula; - al menos un segundo sumador (11) de una aceleración instantánea medida con dicha referencia de aceleración nula almacenada en dicho integrador (12); caracterizado porque: - dicho dispositivo regulador de regeneración de energía (1) es independiente y externo a dicho alternador (20) y se acopla con dicho alternador (20) con el objetivo de permitir una recuperación de energía cinética; - y porque dicho dispositivo de regeneración de energía comprende, además: - una caja contenedora (50) equipada con medios de conexión eléctrica en paralelo con los polos de una batería (30) de dicho vehículo a motor; y - una batería de supercapacitores.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Descripcion

Dispositivo de regeneracion de energla para la recuperacion de energla cinetica en los vehlcuios a motor

La presente invencion se refiere a un dispositivo de regeneracion de energla para la recuperacion de energla cinetica en los vehlcuios a motor, en particular, autobuses u otros vehlcuios para el servicio urbano.

Como se conoce, el alternador de un vehlculo a motor es un generador de energla electrica que transforma parte de la energla mecanica que se obtiene de la rotacion del motor endotermico. La energla electrica en los vehlculos se suministra por el alternador, mediante la obtencion de potencia mecanica del motor endotermico. La intensidad de corriente que produce el alternador compensa las absorciones electricas y recarga la baterla del vehlculo. En la actualidad, el uso frecuente de luces encendidas incluso durante el dla y la ya habitual elevada densidad de trafico (con la consecuente prolongacion de los tiempos promedio de viaje y los recorridos lentos incluso en vlas rapidas) hace que el alternador requiera mas potencia energetica, con un alto incremento del consumo de combustible. Sin embargo, el alternador tiene una eficiencia tlpica de 50 % que lo situa entre los generadores electricos menos eficientes. Por consiguiente, las energlas correspondientes son altas, ya que puede asumirse que 1.5 CV se sustraen de los carros y mas de 10 CV se sustraen del motor de un autobus urbano. A pesar de esto, el alternador es retroactivo ya que es capaz de suspender completamente la absorcion de carga mecanica cuando no hay demanda electrica (por ejemplo en situaciones en las cuales la baterla se carga completamente o con luces encendidas y usuarios en funcionamiento). Dicha retroactividad se proporciona mediante el regulador de tension del alternador, que se optimiza para mantener el nivel de carga de los acumuladores y para suministrar energla a los usuarios electricos internos.

En particular, los autobuses urbanos y medios de transporte colectivo de neumaticos por lo general tienen una carga electrica permanente (luces internas, faros delanteros, ventiladores, indicadores luminosos, ...) que resulta en una absorcion continua de potencia mecanica. El alternador, de hecho, absorbe energla util para la traccion, mientras que la energla disipada al frenar se pierde definitivamente por el calor de los discos y tambores. Los autobuses urbanos, con sus fases continuas y repentinas de aceleracion y frenado, son por consiguiente, el campo ideal para la aplicacion de un sistema capaz de generar energla cinetica que se disipa al frenar.

La tecnica anterior ya proporciona algunos arreglos dirigidos a recuperar la energla cinetica de los vehlculos a motor. Por ejemplo, la patente estadounidense US-A-5038728 y laUS-A-5080059 describen un metodo para administrar la carga mecanica del alternador en el motor del vehlculo, sin embargo, mediante la proposicion de soluciones historicamente viejas que, de hecho, no resultaron habiles para aplicarse debido a su extrema complejidad y su costo excesivamente alto.

Con el objetivo de solucionar los problemas de la tecnica anterior, en la solicitud de patente italiana numero T02003A00744, el solicitante propone un nuevo dispositivo de regeneracion de energla para alternadores equipados con acelerometros para detectar las fases de aceleracion y frenado del vehlculo a motor; donde dicho dispositivo, aunque resolvla los problemas de la tecnica anterior, tambien presentaba algunos inconvenientes, donde el mas relevante de ellos era que este tenia que integrarse con el alternador, de esta manera resultaba todavia escasamente practico y requeria, de todos modos, un montaje cuidadoso del propio alternador.

Por consiguiente, un objetivo de la presente invencion es resolver los problemas antes mencionados de la tecnica anterior mediante el suministro de un dispositivo de regeneracion de energia para recuperar la energia cinetica en vehlculos a motor, en particular, autobuses y otros vehlculos para el servicio urbano, que es independiente y externo al alternador y que puede instalarse facil y rapidamente en cualquier vehlculo a motor.

Los objetivos y ventajas anteriores y otros de la invencion, que apareceran en la presente descripcion, se alcanzan con un dispositivo de regeneracion de energia para recuperar la energia cinetica en vehlculos a motor, en particular, autobuses y otros vehlculos para el servicio urbano, como se reivindica en la reivindicacion 1. Las modalidades preferidas y las variaciones no triviales de la presente invencion son la materia de las reivindicaciones dependientes.

La presente invencion se describira mejor mediante algunas modalidades preferidas de la misma, proporcionadas como un ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 muestra el diagrama en bloque de un alternador de vehlculo a motor equipado con una modalidad del dispositivo de regeneracion de energia de acuerdo con la invencion; y

Las Figuras 2a, 2b y 2c muestran tres diagramas que representan el comportamiento esperado de un vehlculo a motor equipado con el dispositivo de regeneracion de energia de acuerdo con la presente invencion.

El objetivo del dispositivo 1 de acuerdo con la presente invencion, es introducir un modo operativo de vehlculo seudohibrido, en el cual es posible ejecutar una recuperacion parcial de energia cinetica cuando frena, debido a la facilidad con la que el generador electrico puede cambiar su propia carga mecanica en el motor. El dispositivo de

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

acuerdo con la presente invencion se compone en su exterior de una caja contenedora 50 equipada con medios electricos de conexion que le permiten favorablemente situarse cerca del acumulador 20 y conectarse electricamente en paralelo con los polos de la baterla 30 mediante cables con una seccion adecuada, y sin requerir arreglos adicionales.

El dispositivo 1, controlado por un microprocesador, se compone de una electronica de potencia de estado solido, con una capacidad de acumulacion de energla y es autonomamente sensible a las aceleraciones.

Con referencia a la Figura 1, es posible apreciar el diagrama clasico de un alternador del motor de un vehlculo que comprende:

- bobinas de estator trifasicas 15;

- diodos rectificadores 2;

- una luz de advertencia de nivel mlnimo 3;

- una baterla de acumuladores 30;

- un colector de rotor 5;

- una bobina de rotor 6;

- un terminal de alimentacion del regulador 7;

- una electronica de regulacion y control 8;

- una tension de referencia 9.

Siempre con referencia a la Figura 1, es posible apreciar que el dispositivo 1 comprende:

- al menos un sensor de aceleracion 13 con un pasabanda que comprende la aceleracion estatica en una configuracion de uno o varios ejes; la determinacion de las fases de aceleracion o incremento y de frenado o descenso del vehlculo a motor mediante el dispositivo 1 se determina mediante una logica que utiliza sensores de aceleracion 13, preferentemente del tipo MEMS, cuyas caracterlsticas son:

. suficiente sensibilidad de aceleracion;

. sensibilidad a las aceleraciones estaticas (que se entiende como aceleracion de gravedad);

. un intervalo de temperatura de operacion de la categorla de automovil;

- al menos un primer sumador 10 de la contribucion acelerometrica a la referencia de tension;

- al menos un integrador de aceleracion a largo plazo 12 para suministrar la referencia de aceleracion nula; el acondicionamiento de la senal para el sensor de aceleracion 13 puede seguir en tiempo y automaticamente el valor de aceleracion nula, mediante la comparacion con el integrador a largo plazo o con una ramificacion de la senal: esto permite regular la operacion del dispositivo 1 incluso en caso de diferentes tipos de montajes del alternador, o si ocurren modificaciones de ajuste, como en el caso de una compensacion de la longitud de la banda de arrastre;

- al menos un segundo sumador 11 de la aceleracion instantanea medida con la referencia de aceleracion nula almacenada por el integrador 12;

- una baterla de supercapacitores (no mostrada).

Como se hizo entender anteriormente, el dispositivo 1 de acuerdo con la presente invencion permite enganar al alternador 20, mediante la indicacion al mismo, cuando es necesario, de un nivel de carga de la baterla 30 y un nivel de tension del sistema que son diferentes de los reales.

En particular, durante la fase de frenado del vehlculo, el dispositivo 1 absorbera energla electrica mediante su acumulacion dentro en la baterla de supercapacitores. El alternador 20, por consiguiente, vera una tension insuficiente en la baterla, lo que incrementa, como consecuencia, la demanda de energla del motor para compensar su falta, por lo que se incrementa satisfactoriamente el efecto de freno del motor. Esto se traduce, ademas, en un ahorro del sistema de freno.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Cuando se acelera, en cambio, el alternador 20 vera la baterla completamente cargada y ningun usuario electrico, ya que, contrariamente a lo anterior, el dispositivo 1 le suministra energla al sistema interno y a la baterla 30. El alternador 20 suspendera entonces su actividad hasta que la tension sea optima, y permite completar la fase de aceleracion sin sustraer potencia util para la traccion en el motor. Cuando el dispositivo 1 agota su reserva, el vehlculo a motor estara entonces cerca de su siguiente frenado, y los supercapacitores tendran otra vez la oportunidad de acumular energla para el proximo ciclo.

Debido a lo que se planted anteriormente, el diagrama en la Figura 2a incluye la obtencion real de una senal de aceleracion de un vehlculo a motor mediante el sensor de aceleracion 13 en dos minutos aproximadamente con el vehlculo a motor en marcha, medida en metros por segundos cuadrados. Pueden apreciarse fases de aceleracion caracterlsticas con la sucesion desde el primer cambio 2a hasta el paso hacia el segundo cambio 2b y luego hacia el tercer cambio 2c seguido por una desaceleracion de 10 segundos aproximadamente. Unas franjas verticales indican las fases de la aceleracion 3 y de la reduccion o el frenado 4 del vehlculo a motor y sus consecuencias en los diagramas de potencia del alternador - Figura 2b - y del estado de carga de la baterla - Figura. 2c. El diagrama de potencia del alternador incluido en la Figura 2b muestra el resultado de control por el dispositivo 1. Cuando ejecuta la medicion, el sistema del vehlculo a motor absorbio alrededor de 400W dado por las luces encendidas y la ventilacion: puede apreciarse que el integral de potencia es aproximadamente igual a la potencia requerida por el sistema electrico. Entre las amplias variaciones de corriente, pueden reconocerse caracterlsticas especlficas de operation del dispositivo 1. En particular, el efecto del retorno gradual hacia la tension nominal del alternador puede leerse cuando la aceleracion 7 continua; de manera reflejada, la potencia pico tiende a retornar a su valor regularmente medido 6 debido al efecto autonomo del regulador de tension. La visible limitation hacia el vertice del pico de potencia 8 es la caracterlstica intrlnseca de la maxima potencia que puede suministrarse mediante el alternador 20.

El diagrama del estado de carga de la baterla en la Figura 2c muestra el calculo de la banda de fluctuation porcentual de la energla acumulada y se incluye solo dentro del 0.2 %: la deuda de energla 10 acumulada por la baterla 30 al final de los dos minutos de esta adquisicion se devolvera rapidamente mediante la conversion de la energla inercial acumulada por el auto.

Por consiguiente, queda claro que las ventajas del dispositivo 1 de acuerdo con la presente invention, son numerosas; primeramente, con respecto a lo que ya se conoce en la tecnica, el dispositivo 1 es economicamente favorable y puede instalarse inmediatamente, donde esta integration no implica problemas tecnicos, estandares y de garantla. El dispositivo 1 es ideal, ademas, para la readaptacion de vehlculos a motor.

Por otra parte, mediante el uso del dispositivo 1 en autos, es posible obtener un ahorro de combustible de un 4 % aproximadamente para autos en vlas urbanas; la aplicacion en un autobus urbano podrla alcanzar, de acuerdo con un promedio, un 8 % debido al exacerbado trafico urbano sumado a las elevadas necesidades electricas del vehlculo.

Como se conoce, en ciudades grandes, se producen directamente polvos finos principalmente por los motores de los vehlculos a motor y el uso de los frenos. El incremento de la capacidad de frenado del motor derivada del uso del dispositivo 1 podrla afectar positivamente esto mediante la reduccion del uso de material de friction para los elementos de freno.

Por otra parte, como se conoce, las baterlas de plomo se caracterizan por tener una conducta asimetrica en los ciclos de carga y descarga. De hecho, estas pueden suministrar altas corrientes descargadas instantaneamente pero no pueden aceptar grandes corrientes de recarga. Durante el frenado, cuando el acumulador podrla suministrar la energla maxima para completar la recarga de la baterla, esta ultima no se acepta. El dispositivo 1, en este caso, acumula el exceso de energla disponible mediante su devolution durante las fases siguientes, de hecho al prolongar significativamente el tiempo optimo de recarga de la baterla. Esto no puede sino tener un efecto favorable en la vida total del acumulador.

Ademas, el dispositivo 1 de acuerdo con la presente invencion permite la obtencion de una menor tension en el circuito de energization del alternador. De hecho, la corriente de energization es una funcion inversa del numero de revoluciones del motor: de esta manera, la sustraccion de mayor cantidad de energla durante la fase de frenado del motor, cuando las revoluciones del motor son altas, provoca una mayor sustraccion energla electrica de manera global y un menor desgaste del colector.

Todas las ventajas de la presente invencion, algunas de las cuales se mencionaron anteriormente, se expresarlan similarmente para un autobus abastecido con gas natural o hidrogeno.

Claims (3)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   Reivindicaciones

   1. Vehlcuio a motor equipado con:

   - un alternador (20); y

   - un dispositivo reguiador de regeneracion de energla (1) para recuperar energla cinetica, donde dicho dispositivo reguiador de regeneracion de energla (1) comprende:

   - ai menos un sensor de aceleracion (13) con un pasabanda que comprende una aceleracion estatica en una configuracion de uno o varios ejes;

   - ai menos un primer sumador (9) de una contribucion acelerometrica a una referencia de tension (10);

   - ai menos un integrador a largo piazo (12) de una aceleracion para proporcionar una referencia de aceleracion nuia;

   - ai menos un segundo sumador (11) de una aceleracion instantanea medida con dicha referencia de aceleracion nuia aimacenada en dicho integrador (12);

   caracterizado porque:

   - dicho dispositivo reguiador de regeneracion de energla (1) es independiente y externo a dicho alternador (20) y se acopia con dicho alternador (20) con el objetivo de permitir una recuperacion de energla cinetica;

   - y porque dicho dispositivo de regeneracion de energla comprende, ademas:

   - una caja contenedora (50) equipada con medios de conexion electrica en paraieio con ios polos de una baterla (30) de dicho vehlcuio a motor; y

   - una baterla de supercapacitores.
2. 2. Vehlcuio a motor de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho sensor de aceleracion es del tipo MEMS.
3. 3. Vehlcuio a motor de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque, en una fase de aceleracion de dicho vehlcuio a motor, dicho dispositivo (1) se adapta para suministrar energla electrica a un sistema interno de dicho vehlcuio a motor y a dicha baterla (30).