WO2011044645A1

WO2011044645A1 - Processo para o aproveitamento da energía cinética de veículos elétricos híbrídos e armazenador de energía através de ar comprimido

Info

Publication number: WO2011044645A1
Application number: PCT/BR2009/000319
Authority: WO
Inventors: Paulo Emílio Valadão DE MIRANDA; Sidney Odocio De Almo Torres
Original assignee: Instituto Alberto Luiz De Coimbra De Pós Graduação E Pesquisa De Engenharia - Coppe/Ufrj
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-21
Also published as: EP2492125A1; EP2492125A4; US20120186241A1

Abstract

A inovação ora proposta relaciona um armazenador de energia através de ar comprimido para veículos elétricos híbridos, o qual permite garantir o aproveitamento da energía elétrica regenerada a partir da energía cinética do veículo, com base no seu armazenamento sob a forma de ar comprimido. Com essa configuração fíca possível aumentar a eficiência global do veículo, o seu desempenho e a sua segurança de operação, reduzindo o desperdício de energia e garantindo a existência e uso de freios regenerativos nessas condições.

Description

PROCESSO PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA CINÉTICA DE VEÍCULOS ELÉTRICOS HÍBRIDOS E ARMAZENADOR DE ENERGIA ATRAVÉS DE AR COMPRIMIDO CAMPO da Invenção A presente invenção se refere a um armazenador de energia através de ar comprimido para veículos elétricos híbridos, que aproveita o movimento do veículo para gerar ar comprimido, permitindo o aumento na eficiência de regeneração energética do veículo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Veículos elétricos são aqueles que utilizam motor(es) elétrico(s) de tração para efetuar a sua propulsão. Estes podem possuir uma única fonte geradora ou armazenadora de energia elétrica a bordo, como também podem funcionar conectados diretamente à rede de fornecimento de energia elétrica. Alternativamente, quando o veículo elétrico possui fontes geradoras e armazenadoras de energia elétrica a bordo, ele é denominado veículo elétrico híbrido. Neste caso, a energia elétrica que alimenta o motor de tração é proveniente de mais de uma fonte. Assim sendo, veículos elétricos híbridos são aqueles que utilizam um ou mais motores elétricos para fins de tração mecânica e mais de uma fonte de energia para alimentar esses motores. As fontes de energia podem ser geradores elétricos a combustível líquido (diesel, gasolina, álcool ou outros), geradores elétricos a combustível gasoso (gás natural, hidrogénio, ou outros), geradores elétricos solares, geradores elétricos eólicos ou pilha a combustível.

Quando o veículo está em movimento e não necessita de torque para tração, o(s) motor(es) elétrico(s) de tração pode(m) ser usado(s) em processo de frenagem para reduzir a velocidade do veículo ou até mesmo pará-lo. Neste caso, a energia mecânica de frenagem é oriunda do funcionamento do(s) motor(es) de tração atuando como gerador(es) elétrico(s), que converte(m) parte da energia cinética do veículo em energia elétrica, armazenando-a a bordo em baterias, em ultra capacitores, discos de inércia, e/ou outros dispositivos acumuladores de energia elétrica, para utiliza-la posteriormente.

Em condições normais de operação, o motor tracionário de um veículo elétrico híbrido gera torque para tração mecânica ou energia elétrica a partir de frenagem regenerativa. No primeiro caso, isto é, em curso de movimento tracionário, a carga no acumulador elétrico (baterias, ultra capacitores ou outros dispositivos de armazenamento de energia elétrica) é parcialmente ou totalmente restabelecida pela(s) fonte(s) geradora(s) de energia elétrica existente (s) a bordo, como por exemplo, um gerador a diesel, a gás ou uma pilha a combustível. Algumas configurações de funcionamento utilizando tal conceito foram abordadas nas patentes PI9904360-2, WO2007071464, WO200032976 e ES2260058T.

Há veículos híbridos com tração elétrica ou não, que utilizam ar comprimido armazenado a bordo para gerar potência mecânica de tração através de turbinas, como exemplificado pelas patentes PI9500927-2 e US2007107949. Outras formas de manipulação de ar comprimido em veículos híbridos incluem o método de compressão mecânica do ar, utilizando a energia cinética do veículo no movimento da desaceleração, conforme descrito na patente GB2428653 ou então o procedimento em que o torque dq veículo é ampliado pelo uso de ar comprimido armazenado a bordo para acionar um motor tracionário pneumático, conforme abordado na patente DE19923451.

Em determinadas condições, o veículo se encontra em movimento com considerável velocidade e com as baterias totalmente carregadas, situação na qual não pode aproveitar de forma útil a energia eventualmente, regenerada, impossibilitando o uso da frenagem regenerativa do veículo e provocando um inevitável desperdício de energia. Para contornar esse problema, alguns veículos elétricos híbridos utilizam resistências elétricas, frequentemente localizadas na parte superior do veículo, que nessas condições específicas consomem a energia regenerada transformando-a em calor, o qual é dissipado pelo ar que passa por sobre o veículo. Porém, rejeitar energia elétrica regenerada do movimento cinético do veiculo com o uso de resistência elétrica é um processo altamente desaconselhável para a realidade energética atual, ou seja, uma grande quantidade de energia é descartada de forma inútil, além dos riscos relacionados com o grande fluxo de calor produzido nas referidas resistências. Em outros veículos, a energia cinética disponível em excesso é apenas não utilizada, realizando-se frenagem mecânica convencional, o que reduz o aproveitamento de energia a bordo e, consequentemente, a eficiência energética do veículo híbrido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção tem por objetivo descrever um processo para o aproveitamento da energia cinética de veículos elétricos híbridos o qual se utiliza de um armazenador de energia através de ar comprimido. Este processo apresenta etapas de: direcionamento do excesso de energia elétrica regenerada para o compressor de ar; de transformação da energia elétrica em energia de compressão de ar; e de utilização do ar comprimido obtido para diferentes finalidades.

Adicionalmente, apresenta como objetivo descrever um armazenador de energia através de ar comprimido que visa aumentar o aproveitamento da energia, produzida e consumida no veículo, evitando o desperdício da mesma através da regeneração de energia cinética em energia elétrica. DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

A figura 1 mostra uma configuração básica dos principais componentes de veículos elétricos híbridos para uso terrestre.

A figura 2 mostra uma configuração básica dos principais componentes de veículos elétricos híbridos para usos, aquático, aéreo, e/ou espacial.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção, no intuito de suprir as desvantagens apresentadas pelos modelos de veículos híbridos existentes no estado da técnica, vem descrever um procedimento para o aproveitamento da energia cinética de veículos elétricos híbridos sob a forma de ar comprimido.

Para isso, procura-se assegurar o aproveitamento da energia elétrica regenerada, mesmo em situações nas quais o acumulador de energia elétrica (bateria, ultra-capacitor ou outro) esteja totalmente carregado, e o consumo de energia elétrica dos diversos equipamentos e dispositivos elétricos embarcados seja inferior à quantidade de energia elétrica regenerada, caracterizando a existência de um excesso de energia elétrica para a qual não há uso útil a bordo. Foi idealizado que, nessa condição, o excesso de energia elétrica regenerada pela operação do motor elétrico de tração atuando como gerador elétrico, seja direcionada para o acionamento de um compressor de ar, que transformará tal energia elétrica em energia de compressão de ar em um reservatório, acumulando assim, uma parcela da energia cinética do veículo sob a forma de ar comprimido. O ar comprimido assim obtido poderá ser utilizado para diferentes fins, tais como na alimentação de motores a combustão, pilhas a combustível, suspensão a ar, sistemas de direcionamento e estabilização de posição, suspensão a ar, e no acionamento de equipamentos pneumáticos, o que inclui dispositivos de atuação pneumática existentes a bordo, equipamentos geradores de torque para tração, equipamentos geradores de energia elétrica e em procedimentos de manutenção e limpeza. Além disso, quando a quantidade de energia elétrica regenerada for tal que seja gerado um volume de ar comprimido maior do que a capacidade do seu uso e/ou armazenamento a bordo, a sobrecarga de ar pode ser facilmente descartada no meio ambiente, sem agregar nenhum risco ou dano.

Conforme ilustrado nas figuras 1 e 2, quando o veículo 1 estiver em movimento, com condições normais de operação (produção e consumo de energia), cada vez que for necessário frear ou apenas reduzir a sua velocidade, a energia elétrica produzida através da regeneração de energia cinética será direcionada para carregar o acumulador de energia 2. Caso o veículo esteja em movimento com certa velocidade, e o acumulador de energia elétrica 2 estiver carregado, e, ainda caso seja necessário frear total ou parcialmente o veículo, a energia elétrica regenerada pelo motor elétrico de tração 3 será consumida em um compressor de ar 4, armazenando uma parcela dessa energia sob a forma de ar comprimido, o qual poderá ter utilização futura (com condições normais de operação) para acionar possíveis equipamentos pneumáticos, para ser utilizado no correto funcionamento de pilha a combustível, para uso em suspensão a ar, para direcionamento e estabilização de posição e/ou para alimentar motores a combustão. Vale observar que quando o veículo 1 opera em condições normais e não requer ação frenante a carga no acumtilador de energia elétrica 2 é mantida por uma fonte alternativa de energia 5.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. PROCESSO PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA CINÉTICA DE VEÍCULOS ELÉTRICOS HÍBRIDOS, caracterizados por utilizar um armazenador de energia através de ar comprimido e apresentar as seguintes etapas:

a) direcionamento do excesso de energia elétrica regenerada para o compressor de ar;

b) transformação da energia elétrica em energia de compressão de ar; c) utilização do ar comprimido obtido para diferentes finalidades.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as formas de utilização do ar comprimido serem, preferencialmente, na alimentação de motores a combustão, pilhas a combustível, suspensão a ar, sistemas de direcionamento e estabilização de posição, suspensão a ar, e no acionamento de equipamentos pneumáticos.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter seu conceito aplicável de forma versátil em veículos terrestres, aquáticos, aéreos, e/ou espaciais.

4 PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possibilitar que o excesso de ar comprimido possa ser descartando facilmente para o meio ambiente quando houver a regeneração de energia em excesso.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por possibilitar que o ar comprimido armazenado seja utilizado, preferencialmente, nos sistemas de direcionamento de posição e estabilização do veículo e de suspensão a ar; alimentação de pilhas a combustível; na alimentação de motores a combustão; no acionamento de equipamentos pneumáticos existentes a bordo; . e em procedimentos de limpeza e manutenção no veículo.

6 PROCESSO, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado por possibilitar o acionamento pneumático de dispositivos operacionais do veículo e dos geradores de energia elétrica.

7 ARMAZENADOR DE ENERGIA ATRAVÉS DE AR COMPRIMIDO, caracterizado por ser utilizado em veículos elétricos híbridos (1), com composição básica contendo acumuladores) de energia (2), motor(es) elétrico(s) de tração (3) e compressor(es) de ar (4).

8 ARMAZENADOR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por aumentar o aproveitamento da energia produzida e consumida no veículo, evitando o desperdício da energia gerada através da regeneração de energia cinética em energia elétrica.

9 ARMAZENADOR, de acordo com as reivindicações 7 e 8, caracterizado por evitar o risco de relacionado com a queima do excesso de energia regenerado no veiculo através das resistências elétricas.

10 ARMAZENADOR, de acordo com as reivindicações 7 e 8, caracterizado por ter seu conceito aplicável de forma versátil em veículos terrestres, aquáticos, aéreos, ou espaciais.

11 ARMAZENADOR, de acordo com as reivindicações 7 e 8, caracterizado por assegurar que o veiculo terá freios regenerativos sempre ativos nos momentos de solicitação, aumentando a confiabilidade e segurança do veículo.