Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um sistema e método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, como sistemas climatização e de ventilação, mas não limitados a este tipo de aplicação, e que utilizam pelo menos um segundo alternador sem bateria extra, mantendo o eletricamente independente. Tal método possibilita a utilização de um sistema com eletrônica simples e robusta.

Fundamentos da Invenção

[002] Como é de conhecimento, alternadores (ou geradores elétricos) são dispositivos que são acoplados mecanicamente a motores e são responsáveis por transformar energia mecânica em energia elétrica.

[003] Desta maneira, o alternador utiliza parte da energia disponível no motor para realizar esta conversão, existindo ainda uma pequena perda de potência mecânica disponível para o veículo, já que que o alternador é ligado ao motor por correias, fazendo que o propulsor trabalhe mais e gaste mais combustível - além das perdas pela construção do alternador, principalmente na forma de calor. Tal característica faz com que o alternador seja considerado um agregado ao motor, ao qual ele acrescenta inércia ao seu funcionamento (principalmente quando em marcha lenta).

[004] O funcionamento de um alternador se baseia no princípio da indução magnética, enunciada por Michael Faraday (1791-1867), no qual um condutor elétrico que corta as linhas de força de um campo magnético onde havendo um movimento relativo entre eles, uma força eletromotriz é induzida nos terminais deste condutor. Este condutor pode ser construído em um enrolamento formando uma bobina, e seus terminais conectados a anéis coletores ou anéis deslizantes na extremidade de um eixo rotor, nos quais por sua vez estão em contato com as escovas - onde o eixo rotor é submetido a um campo magnético permanente.

[005] A crescente demanda energética nos veículos vem aumentado substancialmente à medida que novas tecnologias e equipamentos passaram a fazer parte do sistema automotivo, como o gerenciamento eletrônico do motor, da caixa de transmissão, componentes OBD necessários ao atendimento de normas de emissões e de diversas outras funções relacionadas à segurança, conforto e entretenimento dos passageiros, exigindo assim uma maior capacidade de oferta de energia elétrica por parte do veículo.

[006] Em veículos comerciais é comum a utilização de dois ou até três alternadores trabalhando em paralelo, para que assim consiga aumentar a oferta de energia para o veículo. Em ônibus de transporte de passageiros por exemplo, é fundamental manter os sistemas de segurança ligados e prontos para que seus sensores que garantam resposta para evitar capotagens e tombamentos, além de sistemas de entretenimento, letreiros eletrônicos, luzes internas, sistemas de posicionamento por geolocalização e principalmente sistemas de ar-condicionado ou de HVAC (Heating, Ventilating and Air Conditioning). Além disso, no Brasil, é muito comum que as prefeituras e governos estaduais peçam mudanças nas configurações dos ônibus durante a vigência de contratos de serviços, necessitando que se tenha energia elétrica de sobra para as mais variadas funções.

[007] Entretanto, a utilização de múltiplos alternadores causa desbalanceamento elétrico e mecânico, o que resulta quase sempre em desgaste e falha prematura de um alternador em relação ao outro. Isso se deve pelo fato de que quando estão trabalhando em paralelo, um dos alternadores sempre atuará em sua potência máxima de geração, enquanto os secundários atuarão com a demanda oscilante do sistema.

[008] Adicionalmente o uso de agregados aumenta o carregamento do motor. Quando o motor a combustão trabalha mais carregado, a potência maior exigida por parte dos agregados faz com que seu consumo de combustível aumente e, consequentemente, se aumente a emissão de gases poluentes.

[009] Visando reduzir o esforço provocado pelo uso de mais de um alternador e aproveitar energia perdida na geração, existem soluções que se utilizam de fontes de tensão secundárias para normalizar a alimentação do sistema, evitando assim picos de tensão, ruídos (“ripple”) e sobrecargas, inerentes à aplicação de múltiplos alternadores. Desta maneira o emprego de baterias ajuda a manter o nível de tensão, principalmente em momentos de desaceleração, reduzindo a demanda mecânica dos alternadores para gerar energia.

[010] Outra solução é a utilização de super capacitares, que possuem a mesma capacidade de armazenamento que uma bateria, porem carregam e descarregam a energia de maneira mais rápida, atendendo assim todo o ciclo de energia extra gerada e demandada.

[011] O documento patentário US9190945 descreve um sistema regulador de tensão dotado de proteção de sub tensão, utilizado para alternadores secundários sem uso de bateria ou qualquer fonte de tensão secundária, dedicados a sistemas auxiliares, como por exemplo um sistema de ar condicionado. Tal sistema atuaria regulando a corrente que flui na bobina do rotor e desligando o alternador se o mesmo não entregar tensão suficiente ou se não for possível regular a tensão, evitando seu sobreaquecimento. Ainda, o sistema faz uso de uma carga capacitiva utilizada como um filtro do sistema, que atuariam para reduzir instabilidades elétricas e melhorar a eficiência na geração.

[012] Nota-se para as soluções que visam a regulação elétrica em um sistema utilizando múltiplos alternadores, elas necessitam de circuitos de potência para retificação de tensão e controle de corrente, ou se utilizam de fontes de tensão secundárias para fornecer tensão e atenuar a exigência dos alternadores para o motor a combustão, fazendo com que a solução tenha um custo elevado e demande sistemas adicionais de controle.

[013] Com base neste cenário, visando otimizar as limitações técnicas observadas e oferecer uma solução mais eficiente e simplificada, surge a presente invenção.

Objetivos da Invenção

[014] Assim, a presente invenção tem por objetivo principal revelar um sistema e método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, como sistemas de climatização e de ventilação, mas não limitados a este tipo de aplicação, que utilizam pelo menos um segundo alternador sem bateria extra. [015] Adicionalmente, é objetivo da presente invenção prover um sistema e método de comutação elétrica que, de maneira simplificada, mitiga o desbalanceamento elétrico causado pela utilização de múltiplos alternadores e, consequentemente o sobrecarregamento entre eles, podendo assim serem melhores dimensionados para anteder os sistemas por eles alimentados.

[016] Ainda, a presente invenção tem por objetivo revelar um sistema e método que utiliza de eletrônica simplificada e robusta, e garante que os alternadores trabalhem com carga separada.

[017] Ademais, é objetivo da presente invenção apresentar um sistema e método de comutação elétrica que possibilita um menor carregamento do motor, uma vez que os sistemas relacionados a cada alternador trabalham com uma melhor eficiência de dimensionamento, ocasionando assim uma diminuição de gases poluentes e de consumo de combustível.

Sumário da Invenção

[018] Todos os objetivos acima mencionados são alcançados por meio do sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreendendo pelo menos uma primeira unidade geradora, pelo menos uma fonte de tensão, pelo menos uma segunda unidade geradora e pelo menos uma unidade consumidora, onde o sistema é compreendido ainda por: um comutador elétrico compreendido por pelo menos um elemento comutador que conecta eletricamente a fonte de tensão a pelo menos uma segunda unidade geradora quando em uma posição “P1” e conecta eletricamente pelo menos uma segunda unidade geradora a pelo menos uma unidade consumidora unidade controladora e pelo menos uma unidade consumidora em uma posição “P2”.

[019] De acordo com as premissas fundamentais da invenção em questão, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreende ainda o fato de que o elemento comutador é compreendido por pelo menos uma chave eletromecânica hábil em estabelecer uma conexão elétrica seletiva entre pelo menos um primeiro terminal elétrico e pelo menos um terminal elétrico em “posição P1” ou entre pelo menos um terminal elétrico e pelo menos um terminal elétrico em “posição P2”.

[020] Adicionalmente, é provido um sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos compreendido pelo fato de que o elemento comutador sofre alteração de posição em função de força externa.

[021] Ademais, na presente invenção é proposto um sistema que compreende ainda o fato de que o elemento comutador sofre alteração de posição em função de pelo menos um sinal de status.

[022] Ainda, de acordo com a presente invenção, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreende ainda o fato de que o elemento comutador é compreendido por um arranjo de transistores polarizados para conectar eletricamente uma fonte de tensão a pelo menos uma segunda unidade geradora relacionado a uma posição “P1” e conecta eletricamente pelo menos uma unidade geradora a pelo menos uma unidade consumidora em uma posição “P2” quando polarizado em função de um sinal de status.

[023] Adicionalmente, na presente invenção, o sistema compreende ainda o fato de que entre o elemento comutador e a fonte de tensão existe associado em série uma unidade de proteção.

[024] Em adição, os mesmos objetivos da invenção em questão são também alcançados por um método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos compreendido pelas etapas de: fornecer durante a inicialização de pelo menos uma primeira unidade geradora uma tensão de para ignição de pelo menos uma segunda unidade geradora por pelo menos um comutador elétrico compreendido por pelo menos um elemento comutador que associa em série pelo menos uma fonte de tensão a pelo menos uma segunda unidade geradora quando em uma posição “P1”, obter pelo menos um sinal de status e mudar o estado do elemento comutador para uma posição “P2” quando o sinal de status comutar, associando em série pelo menos uma segunda unidade geradora a pelo menos uma unidade consumidora. [025] Também, de acordo com a presente invenção, o método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos pelo fato de que quando o sinal de status não comutar, o estado do elemento comutador permanece em uma posição “P1”.

[026] Ainda, o método aqui proposto compreende ainda o fato de que o sinal de status é associado a estabilidade e funcionamento de pelo menos uma segunda unidade geradora.

[027] Por fim, a presente invenção inclui um método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos que compreende ainda o fato de que o sinal de status é associado a um temporizador.

Breve Descrição das Figuras

[028] A concretização preferencial da invenção em questão é detalhadamente descrita com base nas figuras listadas, as quais:

[029] A figura 1 ilustra um exemplo de configuração utilizando um sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos.

[030] A figura 2 ilustra o circuito de funcionamento de uma configuração utilizando um sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos quando em uma posição “P1”.

[031] A figura 3 ilustra o circuito de funcionamento de uma configuração utilizando um sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos quando em uma posição “P2”.

[032] A figura 4 ilustra uma configuração quando o elemento comutador de um comutador elétrico é formado por um arranjo de transistores.

Descrição Detalhada da Invenção

[033] De acordo com os objetivos gerais da invenção em questão, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreendendo: pelo menos uma primeira unidade geradora 1 , pelo menos uma fonte de tensão 2, pelo menos uma segunda unidade geradora 3 e pelo menos uma unidade consumidora 51 , o sistema compreende ainda: um comutador elétrico 7 compreendido por pelo menos um elemento comutador 8 que conecta eletricamente a fonte de tensão 2 a pelo menos uma segunda unidade geradora 3 quando em uma posição “P1” e conecta eletricamente pelo menos uma segunda unidade geradora 3 a pelo menos uma unidade consumidora 51 quando em uma posição “P2”. A figura 1 exemplifica de maneira simplificada a ligação elétrica do sistema, onde temos a unidade geradora 1 e a fonte de tensão fazendo parte da geração principal de energia, e unidade geradora 3 fazendo a geração de energia secundária para dispositivos não essenciais como uma unidade consumidora 51 , exemplificados por uma unidade de carga 5 e uma unidade controladora 6 (com a unidade controladora comandando através de um sinal de comando 9 a unidade de carga 5), com conexão possibilitada pelo comutador elétrico 7.

[034] A unidade geradora 1 , comumente chamado de gerador ou alternador, é um dispositivo acoplado mecanicamente ao motor de um sistema, que pode ser um veículo a passeio, um veículo comercial (como um ônibus) ou qualquer sistema que precise de geração de energia a partir de esforço mecânico, e é responsável por transformar energia mecânica em energia elétrica. A fonte de tensão 2 é responsável pela alimentação do sistema, e pode ser a bateria principal do veículo, sendo de 12V , 24V ou 48V (dois últimos casos mais comuns para ônibus), mas pode ser qualquer tipo de fonte de tensão e de diferentes grandezas elétricas, dependendo do dimensionamento e aplicação no determinado sistema, e é responsável por fornecer tensão para a ignição do motor e das unidades geradoras, além de alimentar o funcionamento de dispositivos no sistema do veículo.

[035] Assim o comutador elétrico 7 compreendido por pelo menos um elemento comutador 8, conecta eletricamente a fonte de tensão 2 a pelo menos uma segunda unidade geradora 3 quando em uma posição “P1”. Desta maneira o comutador elétrico 7, através do elemento comutador 8, fornece tensão necessária para a unidade geradora 3 a partir da fonte de tensão 2, atuando para iniciar esta unidade geradora e quando ela não estiver estabilizada, garantindo que a unidade geradora 3 somente forneça energia para pelo menos uma a pelo menos uma unidade consumidora 51 quando estiver estável, onde a unidade consumidora 51 pode ser composta por por uma unidade de carga 5 e uma unidade controladora 6 que podem ser exemplificados como dispositivos de sistemas secundários, como condensadores (ar-condicionado), diferentes tipos de controladores e periféricos, dimensionados para serem alimentadas pela unidade geradora 3. A figura 2 exemplifica de maneira simplificada a ligação elétrica quando o comutador elétrico está em posição “P1”, garantindo tensão para inicialização e, se necessário, estabilização da unidade geradora 3.

[036] Adicionalmente, o comutador elétrico 7 através da unidade comutadora 8, ao conectar eletricamente pelo menos uma segunda unidade geradora 3 a pelo menos uma unidade controladora 6 quando em uma posição “P2”, garante que os sistemas secundários indicados pela unidade consumidora 51 , sejam alimentados pela unidade geradora 3, garantindo independência da unidade geradora 1 e consequentemente estabilidade elétrica - reduzindo ruídos que são intrínsecos do funcionamento de alternadores em paralelo e evitando que os mesmos trabalhem em carga total de maneira desnecessária, uma vez que quando em paralelo, a tendência é que um deles trabalhe em carga máxima e os secundários trabalhem gerando energia para as oscilações de carga. A figura 3 exemplifica de maneira simplificada a ligação elétrica quando o comutador elétrico está em posição “P2”, garantindo que a tensão gerada pela unidade geradora 3 seja para alimentação de dispositivos secundários.

[037] Ainda, na presente invenção, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, o elemento comutador 8 compreende ainda pelo menos uma chave eletromecânica hábil em estabelecer uma conexão elétrica seletiva entre pelo menos um primeiro terminal elétrico 81 e pelo menos um terminal elétrico 82 em “posição P1” ou entre pelo menos um terminal elétrico 81 e pelo menos um terminal elétrico 83 em “posição P2” Desta maneira o elemento comutador 8 como uma chave eletromecânica, por exemplo um relé ou qualquer outro elemento capaz de comutar entre contatos a partir de um comando elétrico, atua de maneira a conectar um terminal “comum” 81 a um terminal 82 ou 83, relacionados à “posição P1” ou à “posição P2” que dependendo da configuração podem ser normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF). Utilizando o terminal 82 em uma configuração NF torna o sistema mais seguro, uma vez que que não necessita de comando para manter a unidade geradora 3 sendo alimentada pela unidade de tensão 2 em caso de falhas no dispositivo. De todo modo, esta denominação arbitrária não deve ser interpretada de forma estanque, afinal, a invenção em questão pode ser materializada com um ou mais comutadores ou chaves de comutação análogas ao elemento comutador 8 ora definido.

[038] Também, de acordo com a presente invenção, o sistema ainda é compreendido pelo fato de que o elemento comutador 8 sofre alteração de posição em função de força externa. O comando elétrico pode ser de um sinal que indica estabilidade da unidade geradora 3, ou um temporizador programado para dar esse sinal após um tempo pré determinado que se considera a estabilidade da unidade geradora 3 ou pode ser também de qualquer unidade dotada de inteligência apta de comandar o comutador elétrico 8 de maneira a garantir que ele mude para a “posição P2” somente quando a unidade geradora 3 estiver em estabilidade.

[039] Ademais, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreende ainda pelo fato de que o elemento comutador 8 sofre alteração de posição em função de pelo menos um sinal de status 4, que pode vir do terminal L da unidade geradora 3, ou de qualquer sensor acoplado na mesma, que indique que a unidade geradora 3 esteja em estabilidade.

[040] Em adição, o sistema de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos compreende ainda o fato de que o elemento comutador 8 é compreendido por um arranjo de transistores polarizados para conectar eletricamente uma fonte de tensão 2 a pelo menos uma segunda unidade geradora 3 relacionado a uma posição “P1” e conecta eletricamente pelo menos uma unidade geradora 3 a pelo menos uma unidade consumidora 51 em uma posição “P2” quando polarizado em função de um sinal de status 4. A figura 4 exemplifica um sistema de comutação elétrica ondem o elemento comutador 8 é formado por três transistores NPN, ou transistores mosfet canal N, onde um primeiro transistor tem em seu emissor o terminal 81 (podendo haver um diodo de proteção contra corrente reversa), e seu coletor e base associados a elementos resistivos como divisores de tensão e ao coletor de um segundo transistor NPN com ligação elétrica ao terminal 82 que está associado a fonte de tensão 2, que garante que haja tensão entre 82 e 81 (o segundo transistor NPN em corte); e entre o segundo transistor NPN e o terceiro transistor NPN associados pela base a um sinal de status 4 proveniente de indicação de estabilidade da unidade geradora 3, com ambos coletores para o terra e o coletor do terceiro transistor no terminal 83 que é associado à unidade controladora 6, assim quando houver sinal de status 4, o dois transistores se polarizariam havendo tensão entre 81 e 83. Este arranjo não deve ser interpretado de forma estanque, tendo em vista que outras configurações de transistores com elementos resistivos e de proteção podem materializar de maneira análoga o funcionamento e lógica do elemento comutador 8 ora definido.

[041] Ainda, o sistema da presente invenção, compreende ainda o fato de que entre o elemento comutador 8 e a fonte de tensão 2 está associado em série uma unidade de proteção 11 , que pode ser um termo fusível ou qualquer dispositivo que interrompa a comunicação de eletricidade para o elemento comutador 8 em caso de sobrecorrente (sobrecarga), evitando que a unidade geradora 3 seja ativada.

[042] Em adição, os mesmos objetivos da invenção em questão são também alcançados por meio do método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos que compreende as etapas de: fornecer durante a inicialização de pelo menos uma primeira unidade geradora 1 uma tensão de para ignição de pelo menos uma segunda unidade geradora 3 por pelo menos um comutador elétrico 7 compreendido por pelo menos um elemento comutador 8 que associa em série pelo menos uma fonte de tensão 2 a pelo menos uma segunda unidade geradora 3 quando em uma posição “P1”, obter pelo menos um sinal de status 4 e mudar o estado do elemento comutador 8 para uma posição “P2” quando o sinal de status 4 comutar, associando em série pelo menos uma segunda unidade geradora 3 a pelo menos uma unidade consumidora 51 .

[043] Ao fornecer durante a inicialização de pelo menos uma primeira unidade geradora 1 uma tensão de para ignição de pelo menos uma segunda unidade geradora 3 por pelo menos um comutador elétrico 7 compreendido por pelo menos um elemento comutador 8 que associa em série pelo menos uma fonte de tensão 2 a pelo menos uma segunda unidade geradora 3 quando em uma posição “P1”, o método garante que a unidade geradora 3 receba tensão necessária para inicialização até a sua estabilização e assim seja apta a fornecer energia para os dispositivos a que foi dimensionada.

[044] Assim, ao obter pelo menos um sinal de status 4, se monitora quando a unidade geradora 3 apresenta estabilidade e não seja mais necessário que se alimente com uma fonte de tensão. Mudando de estado do elemento comutador 8 para uma posição “P2” quando o sinal de status 4 comutar, ou seja, dependendo de como esse sinal de status 4 é configurado para indicar que está estável - podendo ser um sinal de “alto” ou “baixo” de acordo com o que está sendo utilizado para monitorar a unidade geradora 3 - o elemento comutador associa em série à pelo menos uma segunda unidade geradora 3 a pelo menos uma unidade consumidora 51 , alimentando os dispositivos dependentes a que foi dimensionada A unidade consumidora 51 pode ser exemplificado também conforme a figura 4, formado por pelo menos uma unidade controladora 6 que pode ser um controlador de ar condicionado comanda as funções de temperatura e, em alguns casos, comanda as cargas que são necessárias para controlar a temperatura através de uma unidade acionamento 12 composta por chaves de controle para ativação e descarte de cargas em uma unidade de carga 5 (através de um sinal de comando 9), mas também pode ser qualquer dispositivo periférico que se deseja alimentar em um veículo ou sistema.

[045] Ainda na presente invenção, o método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreende o fato de que quando o sinal de status 4 não comutar, o estado do elemento comutador 8 permanece em uma “posição P1”. Desta maneira, o elemento comutador mantém a “posição P1” enquanto não houver estabilidade para a unidade geradora 3, seja por desequilíbrio mecânico ou sobrecarga elétrica, e assim a fonte de tensão 2 atuaria para estabilizar o sistema e não forneceria tensão para os dispositivos que estão designados para a unidade geradora 3. [046] Adicionalmente, o método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos compreende ainda o fato de que o sinal de status 4 é associado à estabilidade e funcionamento de pelo menos uma segunda unidade geradora 3, que pode vir do terminal L no caso de um alternador, ou de qualquer sensor acoplado que indique que a unidade geradora 3 esteja em estabilidade.

[047] É válido citar que o método de comutação elétrica para inicialização de sistemas secundários em veículos, compreende ainda o fato de que o sinal de status 4 é associado a um temporizador. Assim, estimando um tempo de inicialização que estabilize a unidade geradora 3, o temporizador faria o papel para trocar de estado o elemento comutador 8 e, de maneira “cega”, assumiria que a unidade geradora 3 estaria estabilizada.

[048] O elemento comutador 7 portanto garante que a unidade geradora principal trabalhe isolada eletricamente da unidade geradora secundária na maior parte do tempo, permitindo um dimensionamento otimizado já que que as unidades geradoras não trabalham em paralelo alimentando suas cargas, e assim reduzindo ruídos e oscilações, e consequentemente melhorando o equilíbrio mecânico e reduzindo consumo de combustível, deixando até cinco vezes mais eficiente que um sistema convencional. Também ao não trabalhar em paralelo alimentando suas cargas, evita-se que uma unidade geradora trabalhe em sua carga máxima e assim diminui suas perdas, principalmente em calor, aumentando assim a vida útil e evita queima do equipamento.

[049] É importante ressaltar que a descrição acima tem como único objetivo descrever de forma exemplificativa a concretização particular da invenção em questão. Portanto, torna-se claro que modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, continuam dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexas.