ITVR20090125A1 - Sistema di recupero energia nelle fasi passive dei veicoli a motore - Google Patents

Description

SISTEMA DI RECUPERO ENERGIA NELLE FASI PASSIVE DEL MOTO DEI VEICOLI A MOTORE E DEI SUOI COMPONENTI

DESCRIZIONE

A) CAMPO DELLA TECNICA A CUI L'INVENZIONE FA RIFERIMENTO

La presente invenzione riguarda un sistema atto al recupero di energia durante la marcia e nella fase di decelerazione dei veicoli quando il dispositivo frenante viene attivato dal guidatore, da applicare principalmente a veicoli a trazione elettrica oppure ibrida, configurata quindi, nel secondo caso, con una doppia trazione, endotermica ed elettrica;

Più particolarmente, la presente invenzione si riferisce ad una serie di dispositivi applicati alle parti in movimento del veicolo, sia rotatorio sia lineare, che entrano in funzione ogni qual volta venga attivato l'impianto frenante, oppure ogni volta che la parte meccanica alla quale è vincolato il dispositivo di recupero energia compie il movimento per il quale è progettata.

La presente invenzione si riferisce quindi al campo della tecnica dei veicoli dotati dì un propulsore, sia esso endotermico, elettrico oppure entrambi i tipi presenti contemporaneamente sul medesimo veicolo

B) INDICAZIONE DELLA TECNICA PREESISTENTE

Attualmente allo stato della tecnica sono presentì dei dispositivi che recuperano energia in fase di frenata utilizzando il motore elettrico come generatore di corrente elettrica, ma questi dispositivi riescono a recuperare percentuali estremamente basse dell’energia dissipata in frenata, inoltre sono soggetti ai limiti dei tempi di ricarica delie batterie; esistono dei sistemi quali il KERS utilizzato in Formula 1 che sfruttano lo stesso principio dei sistemi di recupero appena descritti, utilizzano dei generatori appositamente installati e delle batterie a carica estremamente rapida, ma con costi elevati e con problematiche, anche di sicurezza non indifferenti, viste le elevate tensioni elettriche e gli sforzi nelle fasi di carica e restituzione dell'energia elettrica richiesti alle batterie. Esistono dei sistemi che sfruttano delle masse volaniche che assorbono energia quando vengono messe in rotazione ad alte velocità dal veicolo, per poi ritrasmettere l'energia cinetica accumulata al sistema di trazione del veicolo meccanicamente; i sistemi di recupero energia attualmente impiegati lavorano con un unico vettore energetico che non viene variato tramite trasformazione nelle varie fasi della gestione del recupero di energia, fasi che si possono sintetizzare in:

t: recupero energia dal moto del veicolo

2: immagazzinaggio dell’energia a bordo del veicolo

3: riutilizzo dell'energia accumulata per il funzionamento del veicolo e/o dei suoi componenti

C: ESPOSIZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si propone di realizzare un sistema che provveda a recuperare l'energia cinetica di un veicolo durante la marcia e/o nella fase di frenata, che altrimenti andrebbe persa sotto forma di usura e calore, e/o di recuperare energia dai dispositivi e componenti del veicolo che durante il loro funzionamento normalmente è assorbita da elementi elastici; partendo dall'energia cinetica del veicolo appunto, si provvede a trasformarla in energia meccanica per poi accumularla come energia potenziale quindi nuovamente ritrasformarla in energia elettrica e/o meccanica quando vi è nuovamente la necessità di utilizzarla per la marcia del veicolo o per il funzionamento dei suoi componenti.

Le trasformazioni del tipo di energia servono ad ottimizzare le varie fasi che interessano il ciclo di recupero, immagazzinamento e riutilizzo dell'energia potenziale del veicolo in movimento; la particolarità di attuare queste trasformazioni permette di ottimizzare i rendimenti e la facilità di gestione di ogni singola fase, rendendo così estremamente vantaggiosa la differenza tra il rendimento delle varie trasformazioni dell'energia e l'aumento della capacità globale del sistema; le tre fasi nelle quali si può riassumere il sistema hanno esigenze diverse che non possono essere ottimizzate lavorando con un solo tipo di vettore energetico, sia esso meccanico, elettrico che potenziale;

nella fase di recupero, quando il veicolo decelera, o quando la parte meccanica collegata al sistema svolge il lavoro per il quale è progettata, è importante poter gestire una grande quantità di energia, che deve essere recuperata velocemente trasformando l'energia cinetica de! moto de! veicolo o dei suoi componenti in energia meccanica tramite le macchine e/o i dispositivi connessi alle parti in movimento delio stesso.

Nella fase di immagazzinaggio, quando il veicolo è fermo, oppure in condizione di marcia costante, quindi con limitato fabbisogno energetico, è importante disporre di una grande capacità di accumulo di energia.

Nella fase di riutilizzo dell'energia accumulata, quando il veicolo accelera nuovamente o nel caso dei veicolo elettrici quando entra in funzione il sistema di ricarica delle batterie è importante avere disponibile l'energia in modo pratico e veloce.

Queste tre fasi non possono essere ottimizzate con un unico vettore energetico, in quanto allo stato attuale della tecnica non è ancora disponibile un sistema unico che permetta di soddisfare queste tre fasi con rendimenti, facilità d'uso e costi ottimali

La presente invenzione permette di risolvere questo problema e di ottimizzare le tre fasi come di seguito indicato:

fase uno, recupero energia: durante questa fase alle parti in movimento del veicolo interessate vengono connesse delle macchine che svolgono un lavoro, assorbendo energia cinetica, quale ad esempio un compressore che comprime un fluido, oppure dei dispositivi che accumulano energia potenziale, quali ad esempio delle molle a spirale; questa soluzione permette di recuperare grandi quantità di energia che altrimenti andrebbero perse sotto forma di calore e usura per attrito nelle soluzioni tecniche convenzionali deputate a svolgere questa funzione; l'azione di queste macchine e/o dispositivi può essere totale, cioè sostituendo interamente la soluzione tecnica convenzionale (es. impianto frenante o sospensioni) oppure possono affiancare queste ultime agendo in modo parziale integrandosi con i sistemi tradizionali.

Fase due, accumulo di energia: i sistemi di recupero energetico tradizionali hanno il problema dell'accumulo di energia, in quanto, generando direttamente energia elettrica devono sottostare ai limiti dei tempi di ricarica degli accumulatori, della loro capacità e resistenza.

Immagazzinando l'energia sotto forma di gas in pressione, oppure di molle a spirale caricate ad esempio, si risolve questo problema, in quanto il limite della velocità di accumulo e la quantità di energia accumulabile tramite questi sistemi e/o dispositivi risultano essere notevolmente superiori rispetto ai normali accumulatori di energia elettrica; inoltre, una volta accumulata l'energia potenziale può essere mantenuta per tempi estremamente lunghi, cosa che invece risulta essere una altro limite per gli accumulatori elettrici.

Fase tre, riutilizzo:quando il guidatore richiede nuovamente un carico energetico al sistema propulsivo o quando il sistema di ricarica delle batterie entra in funzione è estremamente semplice trasformare l'energia potenziale in energia elettrica, nel caso di un gas in pressione tramite una turbina connessa ad un generatore elettrico ad esempio, nel caso di una molla tramite un generatore connesso direttamente a quest'ultima oppure tramite una connessione diretta tra molla e sistema di trazione del veicolo.

Come dimostrato, durante le tre fasi, l'energia viene trattata sempre nella forma più funzionale allo scopo prefisso, e le perdite di rendimento, dovute alla trasformazione nei vari stati dell'energia sono ampiamente compensate dall’aumento del quantitativo totale di energia gestibile.

Il sistema è quindi una soluzione ottimale al problema di recupero energetico in tutti quei veicoli e sistemi meccanici dove il funzionamento della macchina non è costante, ma bensì dove si ha una frequente alternanza tra fasi di accelerazione e decelerazione, ed è indirizzato a diminuire in modo considerevole la quantità di energia totale da immettere sotto forma di carburante o energia elettrica nel veicolo per svolgere il lavoro richiesto. D: BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Altre caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti, alla lettura della descrizione seguente di una forma di realizzazione dell'invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, in cui:

La figura 1 rappresenta la vista schematica del sistema di recupero energia applicato ad un sistema frenante, indicato come dispositivo D1, dove la normale azione di rallentamento svolta dal disco freno (1) e dalle guarnizioni d'attrito (2 e 3) è integrata dal lavoro svolto da un compressore (4) che è vincolato ad un secondo disco freno (5) coassiale a quello tradizionalmente presente in questo tipo di sistema frenante sul quale agisce la guarnizione frenante tradizionale (2); tale disco freno è montato folle e flottante rispetto al mozzo ruota (6) e non ne è vincolato direttamente; a questo è disco vincolato ad un ingranaggio (7) che a sua volta non è vincolato al moto rotatorio della ruota del veicolo, il quale trasmette il moto al compressore (4). Il disco tradizionale è vincolato al mozzo ruota (6), montato flottante e viene tenuto in posizione di riposo da una molla di contrasto (8); a chiudere il sistema è presente una seconda guarnizione d'attrito di tipo tradizionale (3) che agisce quando richiesto sul disco freno.

- La figura 2 rappresenta alcuni particolari indicati nella figura 1, in particolare il disco tradizionale (1) il disco folle (5) il mozzo ruota (6) e l'ingranaggio (7) che collega il disco folle (5) con il compressore (4).

La figura 3 rappresenta la vista schematica di del sistema di recupero energia applicato ad una sospensione, indicato come dispositivo D2, dove l'azione ammortizzante normalmente svolta dall’elemento elastico (9), e dai sistemi di frenatura in compressione ed in estensione dello stesso sono integrati da un pistone (10) che descrive 2 camere (11) e sfruttando il movimento tipico della sospensione nel suo normale funzionamento tramite le valvole di aspirazione (12) e di scarico (13) comprime un fluido;

- la figura 4 rappresenta la vista schematica dell’invenzione applicata ad un veicolo a trazione elettrica dotato di sistema di recupero di energia tramite l'impianto frenante e tramite le sospensioni come descritti nelle figure 1 , 2 e 3; questi dispositivi nel loro funzionamento durante la marcia del veicolo comprimono un gas (aria atmosferica) in un serbatoio (14). quando il motore di trazione elettrico (15) viene azionato, l'unita di controllo del sistema apre l'elettrovalvola (17) che alimenta la turbina (18) che a sua volta trascina il generatore elettrico (19) che alimenta il motore di trazione (15) oppure provvede a ricaricare le batterie elettriche (20)

E: DESCRIZIONE IN DETTAGLIO DI UN MODO DI ATTUAZIONE DELL'INVENZIONE La presente descrizione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, si riferisce all'applicazione del ritrovato ad un veicolo a 4 ruote a trazione elettrica del sistema applicato alle sospensioni e all’impianto frenante.

Il sistema, come indicato nella figura 4, si compone di un dispositivo di recupero energia D1 come descritto nelle figure 1 e 2 e di un dispositivo di recupero energia come descritto nella figura 3.

durante la normale marcia del veicolo, il disco freno (1) è in rotazione con la ruota del veicolo mentre il disco folle (5) non ruota.

Durante le fasi di frenata del veicolo il guidatore azionando l'impianto frenante andrà a connettere il disco freno folle (5) al disco freno (1) per mezzo della pressione esercitata dalla guarnizione di attrito (2); il disco folle (5) verrà quindi trascinato dal moto rotatorio del disco freno (1) solidale alla ruota, azionando così tramite l'ingranaggio (7) il compressore (4); l'aria compressa verrà inviata al serbatoio (14) il quale è dotato di una valvola di sfiato (21) al fine di mantenere costante l'azione esercitata anche per frenate molto lunghe; in questa fase quindi una grande parte di energia che andrebbe persa sotto forma di calore ed usura delle parti a contatto per attrito viene invece recuperata come energia meccanica ed accumulata a bordo del veicolo come energia potenziale sotto forma del fluido compresso.

Contemporaneamente le variazioni di assetto del veicolo dovute alla frenata e alla normale marcia del veicolo andranno ad azionare il dispositivo D2 integrato nelle sospensioni; il movimento alternato del pistone (10) andrà a variare alternativamente il volume delle due camere (11) descritte dal proprio movimento, e tramite le valvole di aspirazione (12) e scarico (13) andrà a comprimere l’aria da inviare al serbatoio (14); l'elemento elastico (9) manterrà il sistema delle sospensioni in equilibrio in condizioni statiche; in questo caso, una parte dell'energia che andrebbe persa tramite gli elementi elastici e tramite il lavoro svolto dai sistemi di frenatura in compressione ed estensione degli elementi ammortizzati viene recuperata tramite il lavoro svolto dal pistone (10) ed accumulata a bordo del veicolo come energia potenziale sotto forma del gas compresso.

A sovraintendere il funzionamento del sistema è prevista una centralina elettronica (16) che controlla il funzionamento delle parti interessate de! sistema stesso. Quando vi è una richiesta di energia da parte del motore elettrico di trazione (15) la centralina di controllo (16) aprirà il flusso di aria compressa dal serbatoio (14) alla turbina (18) tramite l'elettrovalvola (17) posta sul condotto di alimentazione; la turbina (18) trascinerà il generatore elettrico (19) che produrrà energia elettrica da inviare al motore elettrico di trazione (15) oppure da utilizzare per ricaricare le batterie del veicolo (20);

Nel suo funzionamento il sistema recupera l'energia cinetica del veicolo che diversamente andrebbe persa, la trasforma in energia meccanica tramite i dispositivi D1 e D2, viene accumulata ne! serbatoio (14) come energia potenziale e successivamente viene trasformata in energia elettrica per alimentare la trazione del veicolo.

L'innovazione principale del sistema è quella di utilizzare diverse forme di energia per compiere l’intero ciclo di lavoro, trasformando di volta in volta l'energia disponibile nella forma più funzionale richiesta dalle varie fasi nelle quali si divide il ciclo stesso.

L’invenzione è stata precedentemente descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferenziale. Tuttavia è chiaro che l’invenzione è suscettìbile di numerose varianti che rientrano ne! proprio ambito, nel quadro delle equivalenze tecniche.

F: UTILIZZO IN AMBITO INDUSTRIALE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione può essere utilizzata nella produzione di qualsiasi tipo di veicolo a trazione elettrica endotermica o ibrida composta da entrambi i tipi di trazione; l'invenzione permette di aumentare l'autonomia dei veicoli e di ridurre il fabbisogno globale di energia per distanza percorsa rispetto ad un veicolo tradizionale; il sistema di funzionamento del dispositivo D1 completamente meccanico e comandato dal guidatore rispetto ad altri sistemi diversi di recupero di energia in frenata permette una perfetta linearità di applicazione della forza frenante sulle ruote del veicolo eliminando il problema dell'instabilità in frenata;

il dispositivo D2 se applicato con valvole (12 e 13) a taratura variabile controllata elettronicamente permette di adeguare l'assetto del veicolo alle necessità di guida, aumentando o diminuendo le pressioni massime ottenibili nelle camere (11);

la minor richiesta totale di energia da parte del veicolo di può tradurre come una maggior autonomia oppure come maggiori rese prestazionali del veicolo.

Essendo i veicoli elettrici e ibridi quelli con maggior incremento di mercato nel futuro l'invenzione consente di ridurre sensibilmente il divario che oggi li separa dai veicoli a trazione esclusivamente endotermica rendendone l'uso più pratico e conforme alle esigenze attuali.

Claims (6)

1. TITOLO: SISTEMA DI RECUPERO ENERGIA NELLE FASI PASSIVE DEL MOTO DEI VEICOLI A MOTORE E DEI SUOI COMPONENTI RIVENDICAZIONI 1 Sistema di recupero di energia che tramite macchine e/o dispositivi assorbe energia dalle fasi passive del moto del veicolo, la trasforma in forme dì energia più facilmente gestibili e accumulabili e poi la ritrasforma quando necessario in forme di energia da utilizzare per il funzionamento del veicolo e dei suoi componenti.
2. 2. Sistema di recupero di energia che tramite macchine o dispositivi assorbe energia dalle fasi passive del funzionamento dei componenti del veicolo la trasforma in forme di energia più facilmente gestibili e accumulabili e poi la ritrasforma quando necessario in forme di energia da utilizzare per il funzionamento del veicolo e dei suoi componenti.
3. 3. Dispositivo applicabile al sistema frenante dei veicoli che assorbe energia tramite un compressore, la trasforma in energia potenziale accumulandola a bordo del veicolo sotto forma di un gas in pressione, per poi trasformarla quando necessario in energia elettrica tramite un generatore vincolato ad una turbina, da utilizzare per il funzionamento del veicolo e dei suoi componenti.
4. 4 Dispositivo applicabile al sistema frenante dei veicoli che assorbe energìa tramite una dispositivo quale una molla, trasformandola in energia potenziale accumulata a bordo del veicolo per poi trasformarla quando necessario in energia elettrica tramite un generatore vincolato alla molla stessa da utilizzare per il funzionamento del veicolo e dei suoi componenti.
5. 5. Dispositivo applicabile al sistema frenante dei veicoli che assorbe energia tramite una dispositivo quale una molla, trasformandola in energia potenziale accumulata a bordo del veicolo per poi trasformarla quando necessario in energia meccanica da trasmettere al sistema di trazione del veicolo.
6. 6. Dispositivo applicabile alle sospensioni dei veicoli che assorbe energia dalle stesse nel loro normale funzionamento tramite un pistone che comprime un gas accumulando energia potenziale a bordo del veicolo per poi trasformarla quando necessario in energia elettrica tramite un generatore vincolato ad una turbina.