ES2735302B2 - Sistema de almacenamiento de energía para vehículos - Google Patents

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Description

D E S C R I P C I Ó N
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA PARA VEHÍCULOS
SECTOR DE LA TECNICA
La presente invención pertenece al sector del transporte y más concretamente al de su equipamiento eléctrico o la propulsión de vehículos eléctricos.
El objeto principal de la presente invención es un sistema de almacenamiento de energía para vehículos formado por una batería y un compartimento para su alojamiento que permite la introducción y extracción de baterías de este tipo y su conexión al sistema eléctrico del vehículo con comodidad, rapidez y a bajo coste, tanto de forma manual como basada en herramientas auxiliares con distinto grado de automatización.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los coches eléctricos disponibles comercialmente en la actualidad tienen un precio de adquisición elevado en comparación con sus competidores convencionales con motor de combustión interna. La principal razón para esta diferencia en el precio se debe al coste de su sistema de almacenamiento de energía, en la mayoría de los casos basado en baterías construidas a partir de celdas de iones de litio o ion-litio. Para proporcionar una mayor autonomía, los fabricantes tienden a aumentar el tamaño de este sistema de almacenamiento de energía, aunque las cifras obtenidas todavía están lejos de las correspondientes a un depósito de combustible. Este aumento de tamaño, además de un mayor coste, también supone un incremento del peso del vehículo y, por tanto, de su consumo.
Sin embargo, la autonomía necesaria para realizar la mayoría de viajes habituales es incluso inferior a la que presentan los coches eléctricos disponibles en la actualidad. Por esa razón, aparece una relación de compromiso en la elección de un vehículo orientado a realizar los viajes habituales, a menor precio, o uno que permite realizar otros viajes más largos, menos frecuentes, pero a un mayor precio.
Teniendo esto en cuenta, una solución consiste en emplear un coche eléctrico que cuenta con un sistema de almacenamiento de energía instalado de manera permanente y cuya capacidad permite realizar los viajes habituales con un margen adicional de autonomía y que, al mismo tiempo, puede complementar con sistemas de almacenamiento de energía que se pueden instalar en el vehículo de manera temporal, para utilizarlos en viajes más largos, imprevistos o en otras situaciones que requieran un aporte de energía adicional.
En este sentido, se han propuesto e incluso comercializado vehículos que utilizan sistemas de almacenamiento con alguna de estas características, pero no han sido plenamente satisfactorios. En algunos casos, las propuestas se han centrado en un cambio rápido de baterías para restaurar la energía almacenada en el vehículo basado en una infraestructura adicional que requiere una gran inversión y sin aprovechar el carácter temporal que puede tener la utilización de estas baterías. En otros casos, las soluciones propuestas involucran procesos de extracción o introducción de baterías excesivamente complejos, no tienen en cuenta restricciones estructurales fundamentales de los vehículos para los que se proponen o no se han llevado convenientemente a la práctica. A continuación se refiere una serie de documentos presentes en el estado de la técnica y relevantes para la presente invención.
La patente americana US 1993893 (George A. Page Jr.) describe un compartimento para el alojamiento de una batería eléctrica en el cuerpo de un vehículo. El compartimento en cuestión dispone de una parte móvil que se mueve verticalmente donde se sitúa la batería. En su posición más baja, permite extraer o introducir una batería, mientras que un movimiento ascendente permite cerrar el compartimento y realizar la conexión eléctrica de esta batería con el sistema eléctrico del vehículo. Esta patente, de 1935, no tiene en cuenta las características de los sistemas de almacenamiento utilizados en automoción en la actualidad y las posibles necesidades de refrigeración o comunicación que puedan tener, así como las características del compartimento para ser industrialmente aplicable a un coche con un diseño actual.
La solicitud de patente americana US 2017 113661 (Max Moskowitz) repasa distintos sistemas propuestos para el uso de baterías extraíbles en vehículos eléctricos y plantea uno en el que las baterías se introducen por la zona del maletero y son guiadas automáticamente hasta unos puntos de contacto que se conectan con un desplazamiento horizontal. En una de las posibles variantes, se apunta la utilización de un compartimento con una bandeja con dos piezas móviles, una desciende verticalmente desde la zona central del vehículo y otra se desplaza lateralmente hacia el exterior para permitir la carga de las baterías. La explicación de esta variante no deja claro cómo se realiza la conexión de las baterías a los distintos sistemas (eléctrico, comunicación, refrigeración) del vehículo.
La solicitud de patente americana US 2010 181129 (Vahid Hamidi) describe un sistema de alojamiento de baterías extraíbles en el vehículo en el que un pequeño armario donde se pueden conectar distintas bandejas se desplaza verticalmente y las baterías se conectan con un movimiento horizontal, haciendo conexión con ese movimiento horizontal y disponiendo de contactos en dos caras opuestas. Según se describe, las baterías quedan debajo del vehículo, restringiendo la operación de intercambio a la utilización de una herramienta compleja instalada en el suelo, e incluso se plantea la utilización de varios armarios colindantes que interferirían para realizar un intercambio de baterías simultáneo.
En el estado del arte también se encuentra la solicitud de patente americana US 2013 183561 (Ernest W. Laitinen), que describe unas baterías extraíbles que se introducen horizontalmente y llevan los contactos en una cara lateral, así como un asa. Estas baterías se pueden apilar y se introducen en una carcasa ajustada sobre la que deslizan. El compartimento no considera un desplazamiento vertical, lo que dificulta su utilización en un coche por lo ajustado de las dimensiones y la presencia de barras de la estructura resistente del vehículo. Tampoco se plantea un sistema de refrigeración externo a las baterías.
Otras patentes relevantes son WO 2015 045981 (Koichi Tozaki), en la que se muestran baterías que se introducen horizontalmente en un autobús, conectándolas con ese mismo movimiento horizontal, y US 2017141368 A1 (Christopher Ricci), en la que se muestran baterías que se apilan en una estructura y están previstas para conectarse con un movimiento horizontal.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de proporcionar sistemas de almacenamiento de energía eléctrica que se puedan instalar de manera temporal en un vehículo, la invención propone un sistema de almacenamiento de energía para vehículos formado por una batería y un compartimento para su alojamiento en el vehículo que permite su introducción y extracción con un procedimiento simple que se puede realizar manualmente o con la ayuda de herramientas con distinto grado de automatización.
Esta invención tiene en cuenta las necesidades de interacción de estas baterías con el vehículo y con otros sistemas exteriores como pueden ser aquellos empleados para su recarga o almacenamiento, prestando especial atención a su conexión eléctrica, las comunicaciones y la refrigeración de las baterías. Además, la invención considera las características geométricas de los vehículos empleados en la actualidad, especialmente los coches o turismos, y hace posible la integración de los compartimentos para el alojamiento de baterías en la estructura de estos vehículos, sin modificar sustancialmente su forma exterior, así como la conexión entre batería y vehículo con movimientos simples y sin necesidad de elementos de conexión móviles que a su vez requieran la presencia de cables flexibles que se adapten a distintas posiciones de estos elementos de conexión. Para ello, el compartimento para el alojamiento de baterías considerado en esta invención tiene una estructura sencilla, con el desplazamiento del mínimo número de elementos, y el proceso de introducción o extracción de una batería se reduce a la apertura del compartimento para su alojamiento, un desplazamiento horizontal de la batería para introducirla o para extraerla y el cierre del compartimento, sin necesidad de instalaciones de gran complejidad para realizar estas operaciones.
La invención consta de dos componentes principales, una batería y un compartimento para alojar la batería en el vehículo que tiene en cuenta las características físicas de esta y permite su conexión a distintos sistemas del vehículo y su refrigeración cuando está instalada en él.
La batería tiene la forma externa aproximada de un prisma rectangular de base amplia y baja altura. En su interior, la mayor parte del espacio está ocupado por unidades básicas de almacenamiento, con elementos de unión eléctrica, y tiene la posibilidad de integrar distintos sistemas auxiliares, entre los que se puede considerar un sistema de monitorización y gestión de la batería (que tiene en cuenta aspectos como las tensiones de distintas unidades básicas de almacenamiento o grupos de estas, las temperaturas de puntos relevantes, la tensión y corriente totales o el estado de carga de la batería), protecciones eléctricas o un convertidor de potencia. Preferentemente, estos sistemas adicionales se ubican junto a una de las caras laterales del teórico prisma. Para fijar conceptos, esta cara se denominará cara frontal, llamando cara trasera a la opuesta a esta y caras laterales a las dos restantes, llamándose las bases amplias base inferior y base superior.
En general, las unidades básicas de almacenamiento en el interior de la batería pueden ser celdas de iones de litio, celdas electroquímicas basadas en otras sustancias, condensadores, inductores u otros elementos de almacenamiento. De manera análoga, los elementos que permiten la gestión, la protección y el control de la batería pueden tener distintas realizaciones. Esta descripción no limita la configuración interna de la batería.
Los elementos del interior de la batería que se ven sometidos a una tensión eléctrica de manera permanente o de manera temporal durante la utilización de esta se aíslan eléctricamente, especialmente en la parte inferior y superior en contacto con las bases. Para esa función se utiliza un material aislante eléctrico y conductor térmico. La carcasa de la batería está formada por unas bases inferior y superior de un material buen conductor térmico y por las otras cuatro caras de un material aislante eléctrico y térmico y con buena resistencia mecánica. De esta manera, las bases inferior y superior de la batería están formadas por elementos de material conductor térmico y el interior de la batería puede refrigerarse a través de ellas. Las otras cuatro caras fijan las bases y pueden presentar formas exteriores con aristas suficientemente redondeadas para evitar desperfectos y lesiones. Por su parte, las dos caras laterales pueden incorporar una o varias asas y opcionalmente uno o varios rodamientos cilíndricos en su parte inferior para facilitar el desplazamiento de la batería.
Los elementos que permiten la conexión eléctrica y de comunicaciones de la batería con el exterior se sitúan insertos en la base superior, preferiblemente en la zona donde se encuentran los elementos a los que se conectan dentro de la carcasa y junto a la cara frontal, siendo accesibles desde el exterior por la base superior de la batería y teniendo la batería internamente el cableado adecuado. Para facilitar su conexión a un sistema de recarga, los elementos de conexión eléctrica pueden ser compatibles con especificaciones ampliamente utilizadas para la recarga de vehículos eléctricos en corriente continua, como por ejemplo los conectores del sistema de carga combinada CCS de tipo 1 o tipo 2, de manera que una batería puede recargarse conectándose a un punto de recarga de coches, o a instalaciones que utilizan los mismos cables y conectores. Opcionalmente, la batería puede disponer en su interior de elementos auxiliares que permiten su recarga a través de una instalación de corriente alterna monofásica o trifásica. En el caso de los elementos de conexión de comunicaciones, puede plantearse un objetivo de diseño similar, utilizando un sistema de comunicación habitual en vehículos, como puede ser CAN, y conectores adaptados a los requisitos de este sistema.
De manera opcional, la batería también puede contar con algún tipo de indicador de su estado que facilite la gestión de su recarga y la identificación de las baterías cargadas y descargadas en el proceso de intercambio. Este indicador puede basarse en uno o varios LED que pueden tener distintos colores, en sistemas más sofisticados como una pantalla con indicadores alfanuméricos o en una combinación de estos. Estos elementos pueden situarse sobre la base superior o una de las caras laterales, de manera que sean fácilmente visibles desde el exterior.
Adicionalmente, las baterías pueden incluir un elemento de asimetría para asegurar su correcta orientación, impidiendo realizar el desplazamiento para introducirlas en el compartimento para su alojamiento si la orientación no es adecuada. Por ejemplo, una opción es que la arista superior de la cara trasera de la batería incluya un rebaje, que puede tener una profundidad de 1 cm o menos y distintas formas, como un chaflán o un perfil cuadrado, mientras que los espacios destinados a alojar la batería, como el compartimento para su alojamiento en un vehículo o una estantería de almacenamiento, pueden incluir un saliente correspondiente, de tal manera que si se intenta introducir en cualquier otra orientación, la arista de la batería tropieza con el saliente y esta no puede ser introducida. De manera opcional, este saliente puede tener una profundidad menor que el rebaje de la batería para evitar el rozamiento cuando esta se introduce de forma adecuada, e incluso una menor anchura y formas redondeadas, pudiendo reducirse a un elemento prominente en la zona más cercana a la cara por la que se introduce la batería, siempre y cuando limite el avance de la batería cuando su orientación no es correcta.
El otro componente principal es un compartimento que se integra en el vehículo y permite alojar baterías de esta invención. El compartimento consta de un conjunto fijo a la estructura del vehículo y un cajón, conectado a este conjunto fijo y con posibilidad de desplazarse respecto a él, en el que se sitúa una batería de esta invención. Este compartimento está diseñado para instalarse bajo el vehículo, integrándose en el perfil del vehículo cuando está cerrado. El compartimento se abre con un desplazamiento descendente del cajón definido por unos elementos de guiado y se cierra con el desplazamiento ascendente inverso. Este desplazamiento también puede tener un componente lateral en los puntos más bajos del recorrido, haciendo más accesible la zona correspondiente a una de las caras laterales del cajón. La cara lateral más expuesta al exterior del vehículo cuando el cajón está abierto se denominará cara lateral exterior en el resto de este documento, así como se denominará cara lateral interior a la opuesta a esta y coincidiendo los restantes nombres de las caras del compartimento con los de las caras correspondientes de una batería situada en el cajón.
De manera preferente, el cajón tiene paredes en las caras frontal, trasera y lateral interior, siendo esta última su fondo y estando libres las superficies de la cara lateral exterior y la cara superior, permitiendo el acceso al interior del cajón desde estas. La cara inferior tiene dos niveles, externo e interno. El nivel externo se sitúa por debajo, con una plancha de material que puede ser como el utilizado en la parte inferior del vehículo, y es el que continúa la línea inferior del vehículo cuando el compartimento está cerrado, pudiendo asegurar además un buen aislamiento del exterior del vehículo con un recubrimiento elástico en su perímetro. El nivel interno se sitúa por encima del externo, con una pequeña holgura entre ambos niveles, y es el nivel en el que se sitúa la batería dentro del cajón. Preferentemente, este nivel interno no está realizado por una plancha de material en su totalidad, sino que cuenta únicamente con unos soportes en las zonas contiguas a las caras frontal y trasera para la batería, siendo posible ubicar soportes adicionales en zonas intermedias. Cada uno de estos soportes puede estar formado por una parte estructural que conecta ambos niveles y permite la circulación de aire entre ellos y una pieza superior con recubrimiento de baja fricción, posiblemente de un material plástico, que es fácilmente intercambiable en caso de deterioro y permite que la batería se deslice o ruede por encima. En el nivel interno de la cara inferior, en la zona de la cara lateral exterior, se puede incluir un pequeño resalto que impide un movimiento indeseado de la batería hacia el exterior sin condicionar su introducción o extracción voluntarias. Opcionalmente, el perfil de este resalto es más bajo en la zona central de manera que la batería únicamente entra en contacto con él por sus extremos. También de manera opcional, este resalto puede contar con uno o varios rodamientos cilíndricos para que la base inferior de la batería ruede sobre él.
El conjunto del compartimento fijo a la estructura del vehículo tiene paredes en las caras frontal, trasera, laterales y superior. Cuando el compartimento está cerrado alojando una batería en su interior, existe también una pequeña holgura entre la cara superior del compartimento y la base superior de la batería. Las holguras dispuestas en la parte inferior y superior permiten la circulación de aire para la refrigeración o climatización del compartimento, dejando libres las bases inferior y superior de la batería y proporcionando refrigeración a la batería por estas bases. La circulación de aire hacia y desde el compartimento puede realizarse a través de aberturas de refrigeración en la parte inferior y/o superior de las paredes frontal, trasera o laterales del conjunto fijo a la estructura del vehículo.
Además de esto, la parte superior puede incluir unos topes, preferiblemente en los laterales en posición complementaria a la de las asas de la batería, que aseguran que esta no se desplaza vertical ni lateralmente cuando el compartimento está cerrado, quedando el movimiento longitudinal restringido por las paredes del cajón. También en la parte superior del conjunto fijo a la estructura del vehículo se instalan los elementos de conexión eléctrica y de comunicaciones del compartimento, orientados hacia abajo en la posición correspondiente a los elementos de conexión de la batería, con una forma complementaria a la de estos, y pudiendo contar con una pequeña tolerancia o flexibilidad para compensar pequeños desajustes en la posición de la batería, de manera que las conexiones se establecen con el movimiento de componente ascendente correspondiente al cierre del compartimento y se mantienen mientras el compartimento está cerrado.
Opcionalmente, en la parte más externa del cajón se colocan elementos reflectantes o de cierto material o topología que permiten detectar la posición del cajón con un sensor externo, de manera que se pueden utilizar para orientar una herramienta o máquina empleada en la operación de intercambio para introducir o extraer una batería correctamente.
Preferentemente, el cierre del cajón se asegura con resbalones que se introducen bajo las caras frontal y trasera cuando el compartimento está cerrado. Estos resbalones pueden tener un perfil triangular con la parte superior horizontal, de manera que permiten el movimiento del cajón hacia arriba pero no hacia abajo. Los resbalones se sujetan al conjunto del compartimento fijo a la estructura del vehículo, pudiendo atravesar sus paredes por una abertura de cierre, y utilizan la holgura entre los dos niveles de la cara inferior del cajón para situarse entre ellos e impedir el movimiento descendente del cajón. De manera preferente, se considera un resbalón en la zona central de cada una de estas dos caras, pero puede instalarse un número distinto de ellos.
El desplazamiento del cajón puede limitarse con unos raíles como los empleados en los cajones de un mueble y, de manera opcional, el perfil de estos raíles puede describir una línea que provoca un movimiento con componente lateral en la parte más baja del recorrido del cajón. Como referencia, puede considerarse que se fijan dos raíles en cada una de las paredes frontal y trasera del cajón, cerca de sus extremos, cada uno de ellos cerrado al menos por la parte superior y con un único rodamiento correspondiente unido al conjunto fijo a la estructura del vehículo en su parte más baja. No obstante, pueden considerarse otras opciones con rodamiento y raíl en ambas partes, o con la utilización de otro número de raíles en cada una de las paredes frontal y trasera del cajón, incluso con un número distinto en cada una de ellas o considerando su instalación en la pared lateral interior del cajón. Para facilitar el montaje del compartimento y las operaciones de mantenimiento, cada raíl puede tener unos orificios que permitan fijar a través de ellos el rodamiento a uno de los cuerpos una vez el raíl ya ha sido fijado al otro, por ejemplo, el rodamiento al conjunto fijo a la estructura del vehículo y el raíl al cajón.
Para facilitar el movimiento de apertura y cierre del cajón, pueden considerarse varios elementos opcionales. La parte exterior de la cara inferior del cajón puede realizarse con una forma adecuada para proporcionar una zona de agarre para desplazar el cajón manualmente. También es posible incorporar un elemento amortiguador al cajón para limitar la velocidad con la que desciende. Asimismo, puede considerarse la presencia de un elemento elevador del cajón que actúe de manera automática sin necesidad de realizar el esfuerzo manualmente, y que también puede actuar como elemento de retención en el descenso del cajón. Una posible forma de realizar esto es instalar una correa o cadena unida a la pared lateral interior del cajón, o incluso anclada a la plancha del nivel externo de la cara inferior del cajón, y que se suelta o recoge por medio de un carrete o piñón movido por un motor eléctrico. Una variante de esta solución es instalar este sistema en la pared frontal del cajón, en su pared trasera o en ambas. Una solución alternativa puede ser la de considerar unos dientes de engranaje en uno de los conjuntos rodamiento-raíl, reemplazándolo por un conjunto piñón-cremallera en el que el piñón, unido al conjunto fijo a la estructura del vehículo, es movido por un motor eléctrico. Este tipo de sistemas puede contar además con un freno por medio de un apéndice que aprieta la correa frente a otra superficie, que se introduce en uno de los orificios de la cadena o que bloquea los dientes del piñón; este freno reduce el esfuerzo que realiza el motor, haciendo que funcione únicamente cuando se mueve el cajón y evitando que soporte algún tipo de esfuerzo en otras condiciones. También se pueden considerar otros mecanismos y sistemas de actuación, como un circuito hidráulico.
Además, a partir de esta descripción pueden considerarse una serie de variaciones menores. Algunas de ellas afectan a la cara inferior del cajón. El nivel interno de la cara inferior puede tener una superficie continua, que puede ser mayoritariamente plana para conseguir un buen apoyo de la batería; en este caso, puede mantenerse la refrigeración por ambas bases de la batería o únicamente por la superior. La cara inferior puede carecer de la plancha en su nivel externo, formando el nivel interno la línea exterior del compartimento o incluso dejando la batería parcialmente descubierta por debajo. Por otro lado, la cara lateral exterior del cajón puede tener una dimensión mayor en la dirección correspondiente a la longitud del vehículo, adaptando la forma de las paredes frontal y trasera del cajón en su parte exterior con una línea curva, para disponer de una mayor tolerancia en la introducción de la batería y permitir su correcta orientación cuando se introduce por completo. Por su parte, la cara lateral interior puede carecer de la pared, haciendo accesible el interior del cajón también desde esta cara, y opcionalmente incorporar un resalto, para permitir la introducción o extracción de la batería por ambas caras laterales del cajón y la correcta situación de la batería en el cajón. En cuanto al cierre del cajón, este puede realizarse con un sistema similar al de otros compartimentos del vehículo, con una pieza en el cajón y una pinza que la abraza en el conjunto fijo a la estructura del vehículo, pudiendo tener la pinza un plano de simetría paralelo a las caras frontal y trasera del vehículo y permitiendo el cierre del cajón con un movimiento ascendente. A su vez, el movimiento del cajón puede ser recto, ya sea estrictamente vertical o diagonal, siendo los raíles que lo definen rectos.
También se pueden considerar sistemas de doble seguridad para evitar que la batería se salga del compartimento en caso de accidente. Una opción puede ser la de una chapa que está sujeta al cajón formando una pared en la cara lateral exterior de este cuando el compartimento está cerrado, sin estar sujeta al conjunto fijo a la estructura del vehículo y que se fija a este conjunto y se suelta del cajón cuando el compartimento se abre voluntariamente. Con un elemento elevador del cajón con freno, este freno puede hacer de elemento de seguridad adicional cuando fallan los resbalones de cierre (por ejemplo, debido a un golpe que deforma el cajón); adicionalmente, en el caso de considerar una correa o cadena, se puede utilizar una unión plástica con el cajón que haga que la correa o la cadena limiten el movimiento de la batería impidiendo su salida del cajón si el compartimento se abre, actuando como un cinturón de seguridad. Otra opción consiste en instalar resbalones en los laterales del compartimento que se sitúan por debajo de las asas de la batería cuando el compartimento está cerrado, impidiendo que esta descienda aunque se suelte el cajón.
La invención puede incorporarse a un vehículo tanto de manera original en la fabricación de este como en una modificación posterior, en distintas configuraciones. Opcionalmente, pueden considerarse cuatro compartimentos instalados bajo el habitáculo de los pasajeros, dos a cada lado, con los elementos de conexión eléctrica y de comunicaciones en una misma posición en ambos lados o situados hacia la parte delantera del vehículo en un lado y hacia la trasera en el otro.
En una configuración de este tipo, las baterías pueden conectarse al sistema eléctrico del vehículo, opcionalmente en el lado de continua del convertidor de tracción y el cargador, en paralelo con un sistema de almacenamiento de energía instalado de manera permanente y utilizando los elementos de control adecuados para permitir una conexión adecuada independientemente de que las tensiones de los grupos de elementos básicos de almacenamiento de energía que forman los distintos sistemas de almacenamiento de energía instalados en el vehículo puedan ser distintas, ya sea con interruptores que conectan únicamente uno de estos sistemas en cada instante o con convertidores que permiten la utilización simultánea. Los cables y conductos para refrigeración pueden ocupar una parte del espacio central longitudinal del vehículo, e incluso pueden situarse ligeramente por encima con una pequeña elevación del suelo del habitáculo en esta zona central, como la que es habitual en los coches con motores de combustión. Opcionalmente, el vehículo puede incluir elementos para interrumpir la conexión entre las baterías y el vehículo incluso cuando están en el compartimento cerrado con los elementos de conexión eléctrica y de comunicaciones correctamente conectados, manteniendo el resto de sistemas en funcionamiento. Esto puede realizarse con un interruptor para el circuito de conexión de cada batería o con uno común para todas. Esto permitiría realizar una operación de introducción o extracción de baterías sin riesgo eléctrico incluso cuando se mantienen algunos sistemas del vehículo en funcionamiento, siempre que el interruptor correspondiente esté abierto, condición que se puede ligar a la apertura del compartimento.
Por otro lado, puede considerarse que algunos de los elementos auxiliares de la batería, como un posible convertidor o elementos de interrupción del circuito, se instalen en el vehículo y no dentro de la propia batería. Dentro de esta opción, puede considerarse que los elementos instalados en el vehículo correspondan a uno por batería o haya uno común para más de una batería y que se ubiquen en las proximidades de las baterías correspondientes o en cualquier otro punto del sistema eléctrico del vehículo.
En un coche considerando el sistema de almacenamiento descrito, la batería instalada de manera permanente en el vehículo puede ser de menor tamaño que las habituales en la actualidad y puede estar ubicada sobre los compartimentos de baterías de esta invención, bajo los asientos traseros, en el hueco entre los compartimentos de baterías y el eje trasero, sobre este eje, alrededor del eje delantero, en la parte delantera del vehículo o incluso en la zona central entre los compartimentos de baterías de esta invención.
En cualquier caso, en la utilización de la invención, la batería se introduce y extrae realizando un movimiento horizontal, lo que reduce el esfuerzo necesario y permite una operación manual. De manera auxiliar, puede utilizarse una herramienta con ruedas para desplazar la batería en el exterior del vehículo o con la posibilidad de variar su altura para ubicarla en un lugar adecuado para su almacenamiento o recarga. En concreto, una operación de intercambio de una batería por otra se realiza de la forma que se explica a continuación.
En primer lugar, se abre el compartimento que contiene la batería, liberando el cajón y dejando que se desplace hasta su posición más baja. La batería se extrae con un movimiento horizontal, deslizando sobre el nivel interno de la cara inferior del cajón y opcionalmente sobre una superficie situada en el exterior para facilitar la operación, como puede ser la de una herramienta empleada posteriormente para mover la batería. Una vez extraída, esta batería se mueve a un lugar de almacenamiento transitorio para el proceso de intercambio o de más largo plazo para almacenarla o recargarla y en la misma posición se sitúa la batería con la que se va a reemplazar. La batería que se va a introducir se desplaza hacia el interior del cajón con un movimiento horizontal, deslizando opcionalmente sobre la superficie donde está apoyada inicialmente y sobre el nivel interno de la cara inferior del cajón, hasta llegar al fondo delimitado por la pared de la cara lateral interior. Finalmente, el cajón se eleva y su posición se asegura con los elementos de cierre. En el caso de realizar únicamente la extracción o la introducción de una batería se siguen unos pasos análogos, obviando la introducción de la segunda batería y la extracción de la primera respectivamente. Los movimientos de las baterías pueden realizarse manualmente, con la ayuda de herramientas que permitan situar la batería sobre un plano horizontal y modificar la altura a la que se encuentran o mediante una máquina que automatiza el proceso de intercambio. De manera similar, las operaciones auxiliares relacionadas con las baterías, como pueden ser su almacenamiento o conexión a una instalación para su recarga, pueden realizarse manual o automáticamente.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra el aspecto exterior de la batería de la invención según un ejemplo de realización preferente.
La figura 2 muestra el aspecto general del compartimento para baterías de la invención según un ejemplo de realización preferente, incluyendo los elementos de la parte superior fijos al vehículo. No se representa la cara que lo limita por la parte superior para hacer visible el interior.
La figura 3 muestra una posible integración de los compartimentos para baterías según un ejemplo de realización preferente de la invención junto a la estructura de un vehículo. Los compartimentos del lado izquierdo se encuentran cerrados, uno vacío y otro conteniendo una batería, y los compartimentos del lado derecho se encuentran abiertos, el trasero con una batería en el cajón y el delantero vacío, con una batería en su exterior, en la orientación adecuada para introducirla en este compartimento. En la parte superior de los compartimentos, se ven los topes y la situación de los elementos de conexión, pero no se incluye la cara superior de los compartimentos para hacer visible el interior. También se muestra una representación de los elementos estructurales del vehículo a título indicativo.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la realización preferente de la invención, los componentes principales de esta que interactúan en su funcionamiento son una batería (1) y un compartimento (2) donde se aloja dicha batería (1).
La batería (1) tiene aproximadamente la forma de un prisma rectangular de base amplia y baja altura. En los términos en que se realiza la descripción, se definen como bases inferior (6) y superior (7) las delimitadas por aristas cuyo tamaño corresponde a la longitud y la anchura, caras laterales (5) las delimitadas por aristas cuyo tamaño corresponde a la longitud y la altura y cara frontal (3) y cara trasera (4) las delimitadas por aristas cuyo tamaño corresponde a la anchura y la altura. La diferencia entre base inferior (6) y superior (7) y cara frontal (3) y trasera (4) se define a continuación en relación a la posición de algunos elementos que constituyen la batería (1).
En el interior de la batería (1) se encuentra una pluralidad de unidades básicas de almacenamiento de energía con elementos de unión eléctrica entre ellas y sistemas auxiliares que se sitúan junto a la cara frontal (3) de la batería (1). Estos sistemas auxiliares comprenden un sistema de monitorización y gestión de la batería (1), protecciones eléctricas y un convertidor de potencia. Además de estos elementos, en esta zona adyacente a la cara frontal (3) e insertos en la base superior (7) se instalan los elementos de conexión eléctrica (9) y de comunicaciones (10) de la batería (1). De esta manera, quedan determinadas la cara frontal (3) y la base superior (7) de manera unívoca y la cara trasera (4) y la base inferior (6) quedan definidas como las opuestas a estas respectivamente.
Los elementos del interior de la batería (1) que se ven sometidos a una tensión eléctrica, especialmente por la parte inferior y superior en contacto con las bases inferior (6) y superior (7), se aíslan eléctricamente con un material aislante eléctrico pero buen conductor térmico, como el Sil-Pad. La batería (1) se cierra por las caras frontal (3), trasera (4) y laterales (5) con un material de buena resistencia mecánica y aislante eléctrico y térmico, preferentemente de origen plástico, y por las bases inferior (6) y superior (7) con planchas de un material conductor térmico, como puede ser el aluminio, para permitir su refrigeración. Alrededor de los elementos de conexión eléctrica (9) y de comunicaciones (10) de la batería (1), la carcasa puede ser de plástico integrándose correctamente en la plancha de la base superior (7). En cada una de las caras laterales (5) de la carcasa, en su arista superior e integrándose dentro de la forma prismática, se disponen dos asas (8) que permiten mover la batería (1) a una persona utilizando los dos brazos.
Con esta configuración de batería (1), con unas dimensiones aproximadas de 80 cm de largo por 70 cm de ancho y 10 cm de alto y utilizando celdas 18650 de iones de litio NMC, puede llegar a construirse una batería (1) con una capacidad de aproximadamente 14 kWh y una masa alrededor de 70 kg. Esta batería (1) puede moverse en una dirección horizontal arrastrándola o haciéndola rodar sobre una superficie de forma manual una distancia del orden de 1 m, utilizando una herramienta relativamente sencilla para realizar desplazamientos verticales o más largos.
El aspecto exterior según esta descripción se puede ver en la figura 1.
El compartimento (2) donde se aloja la batería (1) consta de un conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo y un cajón (11) con una forma adecuada para albergar una batería (1) conectado a dicho conjunto (18). El conjunto (18) fijo está instalado bajo el vehículo, de manera que el cajón (11) se integra en la línea externa inferior del vehículo cuando el compartimento (2) está cerrado. Las caras del compartimento (2), no todas realizadas físicamente, se denominan del mismo modo que las correspondientes de la batería (1), siendo una de las caras laterales la que queda más cerca del borde exterior del vehículo. Esta cara más cercana al borde exterior se denomina cara lateral exterior del compartimento (2), siendo la opuesta la cara lateral interior. El compartimento (2) se abre con un movimiento del cajón (11) descendente y con un desplazamiento lateral hacia el exterior del vehículo en la parte final de su recorrido que permite hacer más accesible la cara lateral exterior desde fuera del vehículo. El compartimento (2) se cierra con el movimiento inverso del cajón (11), con sentido ascendente.
El cajón (11) tiene paredes (12), (13), (14) en las caras lateral interior, frontal y trasera respectivamente, siendo la pared de la cara lateral interior (12) su fondo y estando libres las superficies de la cara lateral exterior y la cara superior, permitiendo el acceso al interior del cajón (11) desde estas. Las paredes (12), (13), (14) de las caras lateral interior, frontal y trasera del cajón (11) ocupan parte de la altura de la batería (1) y las paredes (13), (14) de las caras frontal y trasera tienen un rebaje en la parte más cercana a la cara lateral exterior, convergiendo con la cara inferior. La cara inferior tiene dos niveles, externo e interno. El nivel externo está por debajo, con una plancha (15) de material como el utilizado en la parte inferior del vehículo. Este nivel externo continúa la línea inferior del vehículo cuando el compartimento (2) está cerrado, asegurando además un buen aislamiento del exterior del vehículo con la utilización de un recubrimiento elástico en su perímetro. El nivel interno se sitúa por encima del externo, con una pequeña holgura entre ambos niveles, y es el nivel en el que se sitúa la batería (1) dentro del cajón (11). Este nivel interno está formado por unos soportes (16) para la batería (1) en las zonas contiguas a las paredes (13), (14) de las caras frontal y trasera. Estos soportes (16) están formados por una parte estructural, que soporta el peso de la batería (1), y una pieza superior con un recubrimiento de baja fricción, de material plástico, que es fácilmente intercambiable en caso de deterioro y permite que la batería (1) se deslice por encima. La parte estructural que conecta estos soportes (16) con la plancha (15) del nivel externo está formada por una serie de pilares con espacio libre a través del que puede circular el aire. En la parte superior del nivel interno, en la zona de la cara lateral exterior, se dispone un pequeño resalto (17) que asegura la correcta colocación de la batería (1) en lo que respecta a sus caras laterales (5) e impide un movimiento indeseado de la batería (1) hacia el exterior sin condicionar su introducción o extracción voluntarias.
El conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo tiene paredes en las caras frontal, trasera, laterales y superior y proporciona una holgura entre la pared superior y la base superior (7) de la batería (1) cuando el compartimento (2) está cerrado alojando una batería (1) en su interior. Las holguras dispuestas en la parte inferior y superior permiten la circulación de aire para refrigeración o climatización del compartimento (2), que entra y sale del compartimento (2) por dos aberturas de refrigeración (22) en cada una de las paredes frontal y trasera del conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo, en zonas correspondientes a las holguras de la parte inferior y superior del compartimento (2). De esta manera, las bases inferior (6) y superior (7) de la batería (1) quedan libres de obstrucciones y la circulación de aire proporciona refrigeración a la batería (1) por estas bases inferior (6) y superior (7).
La parte superior cuenta con unos topes (19) situados en los laterales, en posición complementaria a la de las asas (8) de la batería (1). En la parte superior del conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo también se instalan los elementos de conexión eléctrica (20) y de comunicaciones (21) del compartimento (2), orientados hacia abajo en la posición correspondiente y con la forma complementaria a los elementos de conexión eléctrica (9) y de comunicaciones (10) de la batería (1), permitiendo que con una batería (1) situada en el cajón (11) se establezcan las respectivas conexiones con el movimiento con componente ascendente del cajón (11) que cierra el compartimento (2) y que estas conexiones se mantengan cuando el compartimento (2) está cerrado. Estos elementos de conexión (20), (21) del compartimento (2) están montados de forma no totalmente rígida y proporcionan un grado de libertad que permite una pequeña tolerancia en la posición de la batería (1) para asegurar una buena conexión.
El aspecto general del compartimento (2), con el conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo y el cajón (11) en su posición más baja, se muestra en la figura 2.
Cuando se cierra el compartimento (2), el cajón (11) se asegura al conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo con dos resbalones que se introducen entre los dos niveles de la cara inferior del cajón, uno de los resbalones bajo la pared frontal (13) y el otro bajo la pared trasera (14). Estos resbalones tienen un perfil triangular con la parte superior horizontal, de manera que permiten el movimiento del cajón (11) hacia arriba pero no hacia abajo. Cada uno de estos resbalones se sujeta al conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo, se desplaza a través de una abertura de cierre (23) en la pared correspondiente del conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo y utiliza la holgura entre los dos niveles de la cara inferior del cajón (11) para introducirse e impedir el movimiento descendente del cajón (11).
El desplazamiento del cajón (11) se condiciona con unos raíles (24) que se desplazan sobre un rodamiento, con las restricciones cinemáticas de los empleados en los cajones de un mueble, aunque con una mayor resistencia mecánica y describiendo una línea que provoca un movimiento de componente lateral en la parte más baja del recorrido del cajón (11). Se fijan dos raíles (24) a cada una de las paredes frontal (13) y trasera (14) del cajón (11), cerca de sus extremos, mientras que el rodamiento correspondiente a cada uno de ellos se sitúa en la parte más baja del conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo.
A modo de ejemplo, para la incorporación de esta realización preferente de la invención a un coche, puede considerarse una configuración en la que se instalan cuatro compartimentos (2) debajo del habitáculo de los pasajeros, dos a cada lado, desde la parte trasera del espacio reservado a las ruedas delanteras hasta la parte delantera del espacio reservado a las ruedas traseras e instalándose entre los largueros y travesaños de la estructura resistente del vehículo (25) e incluso pudiendo incorporar otros en la parte central entre compartimentos (2). La figura 3 muestra la disposición de los compartimentos (2) junto a esta estructura resistente del vehículo (25) en esta configuración.

Claims (21)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos que consta de una batería (1) y un compartimento (2) para el alojamiento en un vehículo de una batería (1), caracterizado por el hecho de que:
a) La batería (1) contiene una pluralidad de unidades básicas de almacenamiento de energía eléctrica en su interior y tiene una forma exterior aproximada de un prisma rectangular, con las bases inferior (6) y superior (7) cerradas por elementos de material conductor térmico y con elementos de conexión eléctrica (9) y de comunicaciones (10) insertos en su base superior (7) y accesibles desde el exterior de esta.
b) El compartimento (2) para el alojamiento en un vehículo de una batería (1) comprende un conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo, instalado en la parte inferior de este, y un cajón (11), conectado a dicho conjunto (18), con unas características geométricas que permiten situar en él una batería (1). Dicho conjunto (18) contiene en su parte superior elementos de conexión eléctrica (20) y de comunicaciones (21) complementarios a los de la batería (1), la apertura y el cierre del compartimento (2) se producen respectivamente con un movimiento con componente descendente y ascendente del cajón (11), el cajón (11) permite la introducción o extracción de una batería (1) con un desplazamiento horizontal de esta cuando el compartimento (2) está abierto, las conexiones de los respectivos elementos de conexión eléctrica (9), (20) y de comunicaciones (10), (21) se establecen con el movimiento con componente ascendente del cajón (11) que provoca que el compartimento (2) se cierre y se mantienen mientras el compartimento (2) está cerrado y el compartimento (2) permite la refrigeración de una batería (1) alojada en él por las bases inferior (6) y superior (7) de esta.
2. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según la reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que la batería (1) contiene en su interior sistemas auxiliares entre los que se incluye un convertidor de potencia.
3. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que los elementos del interior de la batería (1) sometidos a una tensión eléctrica se aíslan eléctricamente con un material aislante eléctrico y conductor térmico.
4. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la batería (1) está cerrada por sus caras frontal (3), trasera (4) y laterales (5) con una carcasa de material de buena resistencia mecánica y aislante eléctrico y térmico.
5. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la batería (1) dispone de al menos un asa (8) en sus caras laterales (5).
6. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la batería (1) incluye al menos un rodamiento cilíndrico en la parte inferior de sus caras laterales (5).
7. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la batería (1) dispone de un indicador de su estado que comprende uno o varios LED de uno o varios colores situado en su base superior (7) o en una cara lateral (5) y visible desde el exterior.
8. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la batería (1) dispone de un indicador de su estado que comprende una pantalla con indicadores alfanuméricos situado en su base superior (7) o en una cara lateral (5) y visible desde el exterior.
9. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que la cara inferior del cajón (11) tiene dos niveles, un nivel externo y un nivel interno, donde el nivel externo está por debajo del interno con una pequeña holgura entre ambos niveles.
10. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según la reivindicación 9 caracterizado por el hecho de que el nivel interno de la cara inferior del cajón (11) consta de soportes (16) para la batería (1) en las zonas contiguas a las caras frontal y trasera.
11. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según la reivindicación 10 caracterizado por el hecho de que los soportes (16) están formados por una parte estructural, que soporta el peso de la batería (1), y una pieza superior con un recubrimiento de baja fricción.
12. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 caracterizado por el hecho de que el cajón (11) dispone de un resalto (17) en el nivel interno de su cara inferior, en la zona de la cara lateral exterior.
13. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo comprende unas aberturas de refrigeración (22) en la parte inferior y superior de las caras frontal, trasera y/o laterales.
14. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo comprende unos topes (19) que restringen el desplazamiento vertical y lateral de la batería (1).
15. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según la reivindicación 14 caracterizado por el hecho de que los topes (19) se ubican en los laterales de la partes superior del compartimento (2) en posición complementaria a la de las asas (8) de la batería (1) cuando el compartimento (2) está cerrado.
16. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el cajón (11) comprende al menos un raíl (24) fijado sobre la pared frontal (13) y al menos otro raíl (24) fijado sobre la pared trasera (14) y el conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo comprende para cada raíl (24) un rodamiento sobre el que se desplaza ese raíl (24).
17. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según la reivindicación 16 caracterizado por el hecho de que cada raíl (24) tiene un perfil curvo que provoca un movimiento de componente lateral en la parte más baja del recorrido del cajón (11).
18. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el compartimento (2) contiene elementos para la detección de la posición del cajón (11) por un dispositivo externo en la parte más externa del cajón (11).
19. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el compartimento (2) comprende un sistema de doble seguridad que emplea una chapa sujeta al cajón (11) formando una pared en su cara lateral exterior cuando el compartimento (2) está cerrado, que se sujeta al conjunto (18) fijo a la estructura del vehículo y se suelta del cajón (11) cuando este se abre voluntariamente.
20. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el interior del cajón (11) es accesible desde la cara lateral exterior y la cara superior de este.
21. Sistema de almacenamiento de energía para vehículos según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19 caracterizado por el hecho de que el interior del cajón (11) es accesible desde la cara lateral exterior, la cara lateral interior y la cara superior de este.
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