ES2935793T3 - Sistemas de baterías de vehículos y método - Google Patents

Abstract

La invención proporciona un vehículo de alta ocupación o de servicio pesado con una fuente de energía de propulsión de batería, que puede incluir baterías de titanato de litio. El vehículo puede ser totalmente de batería o puede ser híbrido y puede tener una carrocería compuesta. El sistema de batería del vehículo puede estar alojado dentro del suelo del vehículo y puede tener diferentes agrupaciones y disposiciones. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas de baterías de vehículos y método

Antecedentes técnicos

En los últimos años se han propuesto vehículos híbridos y eléctricos, que están provistos de una batería, y algunos de ellos se han puesto en práctica, para el uso efectivo de la energía, en particular, la energía regenerativa como medidas medioambientales. Por lo general, las baterías secundarias, que se han puesto en práctica e instalado en vehículos hasta el momento, incluyen, por ejemplo, baterías de almacenamiento de plomo, baterías de hidruro metálico de níquel o baterías de iones de litio de alta potencia.

El uso de tales baterías presenta muchos desafíos, como la degradación térmica o el requisito de volúmenes o espacio significativos debido a la baja capacidad. Dichas baterías pueden ser pesadas, lo que puede provocar una disminución del rendimiento de los vehículos. Además, los materiales activos de los electrodos tienen una tasa baja de iones de oclusión y descarga y, por lo tanto, no se puede lograr una carga eficiente durante la carga rápida, ya sea desde un cargador estacionario o carga regenerativa. La velocidad de la carga regenerativa puede ser muy pertinente para un vehículo de uso pesado, como un autobús, que puede recargarse periódicamente en períodos de tiempo reducidos.

Por lo tanto, existe la necesidad de un vehículo de uso pesado con un sistema de batería capaz de una carga rápida. Existe una necesidad adicional de un vehículo de uso pesado que pueda utilizar eficientemente su sistema de batería.

La técnica anterior relevante se describe en JP H11120975 A.

Breve descripción de la invención

Los aspectos de la invención se definen en las reivindicaciones adjuntas. Algunas realizaciones están dirigidas a un vehículo de uso pesado, como un autobús, con una fuente de energía capaz de cargarse rápidamente. En un ejemplo, la fuente de energía puede incluir una fuente de batería de titanato de litio. En algunos casos, se puede proporcionar una fuente de energía adicional. Una fuente de energía puede comprender uno o más paquetes de baterías. La fuente de energía puede estar alojada en el piso del vehículo de uso pesado. En algunos casos, una pluralidad de paquetes de baterías puede montarse individualmente en cavidades dentro del piso de un vehículo.

De acuerdo con otro ejemplo, el vehículo puede tener una carrocería compuesta. La carrocería puede estar formada sustancialmente por al menos un material compuesto, como fibra de vidrio o fibra de carbono de alta resistencia. En algunos casos, las áreas de alta tensión de la carrocería del vehículo se pueden formar a partir de un material compuesto. Alternativamente, la carrocería del vehículo puede estar formada por un metal ligero o una aleación metálica.

Se pueden proporcionar una o más cadenas de baterías como fuente de energía de propulsión de acuerdo con un ejemplo de la divulgación. Cada cadena puede incluir uno o más paquetes de baterías. Un paquete de baterías puede incluir uno o más módulos, cada uno de los cuales puede incluir una o más celdas de baterías, como una celda de baterías de titanato de litio. Se puede integrar un sistema de gestión de baterías en cualquier nivel de una fuente de energía de propulsión para proporcionar retroalimentación del sensor o cualquier alarma o alerta. La carcasa de la fuente de energía de propulsión puede incluir características de seguridad, que pueden aislar térmica o eléctricamente los componentes.

Otros objetivos y ventajas se apreciarán y comprenderán mejor cuando se consideren junto con la siguiente descripción y los dibujos adjuntos. Si bien la siguiente descripción puede contener detalles específicos que describen ejemplos particulares, esto no debe interpretarse como limitaciones al alcance de la invención, sino más bien como una ejemplificación de realizaciones preferibles. Para cada ejemplo, son posibles muchas variaciones, como se sugiere aquí, que son conocidas por los expertos en la materia. Se pueden realizar una variedad de cambios y modificaciones dentro del alcance de la invención sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Las características novedosas de la invención se exponen con particularidad en las reivindicaciones adjuntas. Una mejor comprensión de las características y ventajas de la presente invención se obtendrá por referencia a la siguiente descripción detallada que expone de manera ilustrativa y los dibujos adjuntos:

La Figura 1 muestra un esquema de un autobús con varias características.

La Figura 2A muestra un bosquejo de un vehículo de uso pesado, como un autobús, con baterías almacenadas dentro del piso del vehículo.

La Figura 2B muestra la realización de la invención, donde las baterías están montadas en el piso de un vehículo de uso pesado, que es un autobús de piso bajo.

La Figura 2C muestra un ejemplo de disposición de baterías.

La Figura 3 muestra un esquema de alto nivel de una disposición de baterías que se puede utilizar como fuente de energía de propulsión.

La Figura 4 muestra un esquema de un conjunto de baterías que se puede usar para propulsar un vehículo de uso pesado. La Figura 5 muestra un ejemplo de un paquete de baterías de una cadena.

La Figura 6 muestra un bosquejo a alto nivel de un módulo de baterías.

La Figura 7 muestra un ejemplo de un módulo.

Descripción detallada de la invención

La presente invención proporciona sistemas y métodos para baterías de vehículos. Los sistemas de baterías de vehículos para vehículos de uso pesado o vehículos de alta ocupación, incluidos autobuses, furgonetas y camiones de clase 5-8, pueden comprender baterías de titanato de litio y pueden tener varias disposiciones y configuraciones. Varios ejemplos descritos en este documento se pueden aplicar a cualquiera de las aplicaciones particulares establecidas a continuación o para cualquier otro tipo de vehículos o fuentes de energía. La presente divulgación se puede aplicar como un sistema o método independiente, o como parte de un sistema de vehículo integrado.

Además, varios aspectos descritos pueden combinarse para proporcionar un vehículo eléctrico híbrido de uso pesado donde la fuente de energía de propulsión de la batería puede suministrar el 12,5 % o más de la energía total del vehículo. En varias realizaciones, la fuente de energía de propulsión de la batería puede entregar 15% o más, 20% o más, 25% o más, 30% o más, 40% o más, 50% o más, 70% o más, 80% o más, 90% o más, 95% o más, o sustancialmente 100% de la potencia total del vehículo. En un ejemplo, características tales como una carrocería compuesta liviana, un tren motriz eficiente y baterías livianas pueden combinarse de tal manera que la fuente de energía de propulsión de la batería pueda suministrar un gran porcentaje del requerimiento de energía del vehículo.

La Figura 1 muestra un esquema de un autobús con varias características. Las características del autobús pueden aplicarse a otros vehículos de uso pesados o de alta ocupación.

Un vehículo de uso pesado puede tener una fuente de energía de propulsión, que incluye baterías. En algunos ejemplos, el vehículo de uso pesado puede tener una o más fuentes de energía adicionales, como un motor de combustión o una celda de combustible. El vehículo de uso pesado puede ser un vehículo eléctrico a batería o un vehículo eléctrico híbrido, y puede usar la misma configuración básica de batería, motor de accionamiento y controlador, independientemente de si el vehículo es un vehículo de batería o un vehículo híbrido.

En algunas realizaciones, un vehículo de uso pesado puede recorrer una ruta predeterminada y detenerse en puntos predeterminados para recargar. Véase, por ejemplo, la Patente de EE.UU. n.° 3,955,657. Fuente de energía de propulsión.

En un ejemplo, la fuente de energía de propulsión de un vehículo de uso pesado puede incluir baterías de titanato de litio. En algunas implementaciones, la fuente de energía de propulsión puede incluir baterías que son solo baterías de titanato de litio, sin requerir ningún otro tipo de baterías. Las baterías de titanato de litio pueden incluir cualquier formato o composición conocida en la técnica. Véanse, por ejemplo, la publicación de patente de EE.UU. n.° 2007/0284159, la publicación de patente de EE.UU. n.° 2005/0132562, la publicación de patente de EE.UU. n.° 2005/0214466, la patente de EE.UU. n.° 6.890.510, la patente de EE.UU. n.° 6.974.566 y la patente de EE.UU. n.° 6.881.393.

El uso de baterías de titanato de litio puede permitir una carga rápida de un vehículo y una batería de larga duración. En algunos ejemplos, una fuente de energía de propulsión de batería puede cargarse a un estado de carga muy alto en cuestión de minutos. Por ejemplo, en una realización preferible, la fuente de alimentación puede cargarse a más del 95% del estado de carga en diez minutos. En otros ejemplos, una fuente de energía de propulsión de batería puede cargarse a más del 65% del estado de carga, más del 70% del estado de carga, más del 75% del estado de carga, más del 80% del estado de carga, más del 85% del estado de carga, más del 90% del estado de carga, o más del 95% del estado de carga en diez minutos, o nueve minutos, siete minutos, cinco minutos, tres minutos o un minuto.

En algunas implementaciones, una fuente de energía de propulsión de batería puede cargarse usando una conexión de carga periódica externa/fuera de a bordo. Un sistema de carga externo puede ser un sistema de carga de batería situado en el exterior de un vehículo. En una implementación alternativa, una fuente de energía de propulsión de batería puede cargarse usando un dispositivo de generación de energía a bordo. Un dispositivo de generación de energía a bordo puede ser cualquier dispositivo de generación de energía que pueda llevarse a un vehículo o incorporarse a un vehículo, que puede incorporar varios medios para cargar una batería.

De acuerdo con otro ejemplo, la fuente de energía de propulsión puede incluir baterías con cualquier química de baterías conocida en la técnica o desarrollada posteriormente. Dichas baterías de vehículos eléctricos o híbridos pueden incluir, entre otras, baterías de plomo-ácido ("inundadas" y VRLA), baterías de NiCad, baterías de hidruro metálico de níquel, baterías de iones de litio, baterías de polímero de iones de litio, baterías de zinc-aire o baterías de sal fundida. En algunas implementaciones, la capacidad de almacenamiento de la batería puede estar dentro del rango de capacidad de 18 a 100 kWh.

En algunas realizaciones alternativas, la fuente de energía de propulsión puede incluir una combinación de baterías de titanato de litio y otros tipos de baterías o ultracondensadores.

Un circuito de control de carga/descarga puede recibir señales de medición de sensores de las baterías, tales como sensores de temperatura, voltímetros y amperímetros. Basándose en las señales de entrada, el circuito de control puede calcular la capacidad de carga actual y puede establecer un determinado estado de carga (SOC, por sus siglas en inglés) y, por tanto, controlar la carga/descarga de las baterías de la fuente de alimentación. Una batería puede recibir energía de una fuente de energía externa o interna.

La fuente de energía de baterías de un vehículo de uso pesado puede incluir un grupo de electrodos con una estructura en espiral formada por un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador entre el electrodo positivo y el negativo. El grupo de electrodos puede formarse enrollando el electrodo positivo y el electrodo negativo con el separador y luego sometiendo la estructura resultante a prensado térmico. Alternativamente, el electrodo positivo, el electrodo negativo y el separador pueden formarse usando un polímero adhesivo. Un terminal positivo se puede conectar eléctricamente al electrodo positivo. De manera similar, un terminal negativo en forma de banda se puede conectar eléctricamente al electrodo negativo. El grupo de electrodos puede estar contenido en un contenedor con los extremos de los terminales positivo y negativo hechos para sobresalir del contenedor para formar una celda de batería.

La batería puede incluir un electrodo negativo que comprende un colector negativo y una capa de electrodo negativo dispuesta en uno o ambos lados del colector y que contiene un material activo de electrodo negativo, un agente conductor y un agente aglutinante.

De acuerdo con algunos ejemplos, el electrodo negativo puede incluir un material activo con un óxido de metal, sulfuro de metal, nitruro de metal o aleación de metal. En algunas implementaciones de la presente divulgación, el electrodo negativo puede incluir materiales activos para cualquier química de batería conocida en la técnica.

Un ejemplo preferible puede incluir un material de electrodo negativo que contenga un óxido complejo de litio y titanio. Óxidos de titanato de litio, como (1) tipo espinela Li4 xTi50i2, (x: -1<x<3, y preferiblemente, 0<x< 1) o (2) puede usarse titanato de litio de tipo ramsdellita, tal como Li2 xTi307 (x:-1<x<3). Los óxidos complejos de litio y titanio pueden incluir, además de los óxidos de litio y titanio, óxidos a base de titanio que no contienen litio.

Los óxidos de litio y titanio pueden incluir, por ejemplo, un óxido complejo metálico que contiene al menos un elemento seleccionado del grupo de TiD2, Ti, P, V, Sn, Cu, Ni y Fe. El TiD2 puede ser de tipo anatasa y puede tener propiedades cristalinas bajas adquiridas a una temperatura de tratamiento térmico de 300 a 500 grados C. Como un óxido complejo metálico que contiene al menos un elemento seleccionado del grupo de Ti, P, V, Sn, Cu, Ni y Fe, TiO2-P2O5, TiO2-V2O5, TiO2-P2O5-SnO2 y TiO2-P2O5-MeO (Me es al menos un metal seleccionado del grupo que consiste en Cu, Ni y Fe), etc., pueden ser ejemplificado. En algunos casos, el óxido complejo metálico puede tener propiedades cristalinas bajas y una microestructura en la que se mezclan una fase cristalina y una fase amorfa, o solo existe una fase amorfa. En virtud de esta microestructura, el rendimiento del ciclo puede mejorarse significativamente. En particular, es preferible un óxido complejo metálico que contenga un óxido de litio y titanio y al menos un elemento seleccionado del grupo de Ti, P, V, Sn, Cu, Ni y Fe.

En algunas implementaciones, el tamaño medio de grano de las partículas primarias del material del electrodo negativo puede ser de 1 m o menos. Más preferiblemente, el tamaño medio de grano del material del electrodo negativo puede ser de 0,3 m o menos.

Carrocería del vehículo

Un vehículo de uso pesado puede incluir cualquier composición y estructura de carrocería de vehículo conocida en la técnica.

Por ejemplo, un vehículo de uso pesado puede tener una carrocería compuesta de un metal como aluminio o acero, o aleaciones como una aleación de magnesio. En ejemplos preferibles, el vehículo puede tener una carrocería ligera y fuerte.

El vehículo de uso pesado también puede incluir una carrocería de vehículo que incluya al menos un material compuesto. En algunos ejemplos, la carrocería del vehículo de uso pesado puede estar formada sustancialmente por al menos un material compuesto. Un material compuesto es preferiblemente un material ligero no metálico. Por ejemplo, las áreas de alta tensión del vehículo pueden estar formadas por un material compuesto como fibra de carbono, balsa y/o núcleo de espuma estructural. En algunos ejemplos, la mayor parte de la carrocería puede estar formada por un núcleo de fibra de vidrio, balsa y/o espuma de alta resistencia.

Varios ejemplos alternativos pueden incluir una carrocería de vehículo donde la carrocería comprende una primera capa/piel, una segunda capa y un núcleo entre las capas. Por ejemplo, el núcleo puede comprender una estructura de panal, o puede estar construido de madera de balsa o espuma, o puede incluir un material compuesto que es o no el mismo que los materiales de la primera o segunda capa. Otros materiales que pueden formar diversas partes de la carrocería del vehículo pueden incluir aluminio, acero inoxidable, fibra de vidrio, aramida, polietileno de ultra alto peso molecular, fibra de carbono u otras fibras estructurales conocidas, plásticos reforzados con fibra o una combinación de los mismos. Se pueden usar otras combinaciones de materiales compuestos para varios componentes del vehículo de uso pesado.

Los compuestos pueden incluir materiales que pueden cubrir una amplia gama de resistencia, desde materiales no estructurales de baja calidad que usan fibras cortas o fibras no orientadas con resinas económicas, hasta propiedades de alta resistencia y rigidez que utilizan tela tejida en un sistema de resina de alto rendimiento. Los paneles de la carrocería pueden ser elementos estructurales que tienen una gran resistencia, y una realización preferida puede utilizar este tipo de construcción. Los materiales comunes para compuestos estructurales en aplicaciones comerciales pueden incluir telas y cintas de fibra de vidrio, aramida y fibra de carbono en una matriz de resina de éster de vinilo o epoxi. Estos materiales pueden tener diferentes propiedades mecánicas en términos de resistencia a la tracción y rigidez, resistencia a la compresión y rigidez, resistencia al impacto, etc. Los materiales compuestos también pueden ser resistentes a la corrosión y la humedad cuando se construyen correctamente.

Al utilizar combinaciones seleccionadas de estos materiales con estas propiedades individuales, la carrocería del vehículo puede lograr las características de rendimiento deseadas de resistencia extremadamente alta en el plano del panel o en ángulo recto, alta rigidez y buena resistencia al impacto y durabilidad. En algunas realizaciones, los materiales pueden incluir materiales no compuestos, materiales compuestos o una combinación de los mismos. El diseño y la construcción adecuados de estos paneles compuestos estructurales pueden proporcionar toda la resistencia y rigidez necesarias para servir como la única estructura autoportante del chasis del vehículo, incluso para un servicio urbano intensivo.

En algunas realizaciones, la estructura del vehículo puede incluir un armazón esquelético liviano con una pluralidad de paneles de carrocería unidos al armazón esquelético. En otra realización, la carrocería se puede moldear en varias piezas o en una sola pieza.

De acuerdo con un ejemplo, la estructura del piso del vehículo puede estar formada sustancialmente por al menos un material compuesto. Por ejemplo, la estructura del piso del vehículo puede estar formada sustancialmente de fibra de carbono o fibra de vidrio. Alternativamente, la estructura del suelo puede estar formada por un material no compuesto, como un metal, que puede incluir aluminio o acero. La estructura del piso puede estar formada por cualquier material que no se queme cuando se exponga a un arco eléctrico o calor relativamente alto.

Ubicación de la batería

La Figura 2A muestra el bosquejo de un vehículo de uso pesado, como un autobús, con baterías almacenadas dentro del piso del vehículo. De acuerdo con algunos ejemplos, las baterías de titanato de litio pueden montarse dentro de una cavidad del piso del vehículo. Las baterías se pueden organizar en grupos que se pueden montar individualmente en las cavidades del piso desde abajo o desde los lados de la estructura del piso del autobús. En algunos ejemplos, puede haber una pluralidad de cavidades debajo del vehículo de uso pesado, que pueden estar separadas entre sí y pueden contener uno o más grupos de baterías. Alternativamente, puede haber una cavidad debajo del vehículo, que puede contener los grupos de baterías.

La Figura 2B muestra dónde se montan las baterías en el piso del vehículo de uso pesado, como un autobús. Cada uno de los paquetes de baterías encaja en un área designada en el piso del autobús. El sistema de baterías puede diseñarse a una altura de 17,14 cm (6,75 pulgadas) o menos, lo que puede permitir que quepa debajo del piso de un autobús de tránsito de piso bajo. Esto puede permitir un chasis de piso completamente bajo sin comprometer la disposición interior de los asientos. El autobús tiene una configuración de "piso realmente bajo", de modo que el autobús tiene un piso nivelado en toda el área entre los ejes del autobús, con almacenamiento de energía montado debajo. Por ejemplo, si un autobús tiene dos ejes, el piso entre los dos ejes puede estar nivelado y plano entre los dos ejes. Esto también puede aplicarse a vehículos pesados con dos o más ejes; el piso entre cualquiera de los ejes puede estar nivelado y plano. Esto puede indicar que el piso del autobús puede no tener protuberancias para acomodar las baterías subyacentes; las baterías pueden quedar descargadas debajo del piso del autobús. Esto puede contrastar con los autobuses tradicionales, que tienen cajas debajo de los asientos de los pasajeros para el sistema de almacenamiento de energía, que comprende la disposición de los asientos. El sistema de batería puede tener una altura de 0,203 m o menos, o 0,171 m o menos.

En algunas realizaciones, cada paquete de baterías puede tener su propio compartimento dentro del piso del autobús. En algunos casos, cada paquete de baterías puede estar físicamente aislado de los otros paquetes de baterías. Algunos de los paquetes de baterías pueden estar eléctricamente conectados entre sí en una cadena, pero de otro modo pueden aislarse eléctricamente entre sí.

En ejemplos alternativos, las baterías pueden integrarse en otras partes del vehículo de uso pesado. Por ejemplo, las baterías se pueden montar en la parte delantera, trasera, superior o lateral del vehículo. En algunas implementaciones, las baterías pueden distribuirse en diferentes lugares del vehículo. Por ejemplo, algunas de las baterías se pueden almacenar en el suelo del vehículo mientras que algunas de las baterías se pueden almacenar en la parte superior del vehículo. Se puede utilizar cualquier combinación de ubicaciones de almacenamiento de baterías.

La fuente de energía de propulsión para un vehículo de uso pesado puede incluir uno o más conjuntos de baterías. Un conjunto de baterías puede proporcionar energía de alta tensión al motor de tracción, accesorios de alta potencia y accesorios de baja tensión en el vehículo mediante el uso de un convertidor. En una implementación de la presente divulgación, una celda de gran capacidad (por ejemplo, 50 Ah) en una cadena en serie de baterías en paralelo puede ser más segura para operar en el caso de una falla que un conjunto en paralelo de celdas en serie. Debido a que las celdas de litio generalmente fallan en corto, si la celda estuviera en paralelo con muchas otras celdas, las otras celdas podrían descargar tanta energía como esté disponible en la celda dañada. En algunos casos, las celdas se pueden poner en paralelo primero para reducir el costo de los sistemas de gestión de baterías, ya que se puede medir la tensión de cada celda. Sin embargo, en algunas otras realizaciones, con celdas de mayor capacidad, puede que no sea necesario poner en paralelo las baterías antes de colocarlas en serie. El uso de celdas de mayor capacidad puede aumentar la seguridad de todo el conjunto sin agregar costos al sistema de gestión de baterías. Por lo tanto, las baterías pueden disponerse en serie o en paralelo, o cualquier combinación de las mismas. Tal flexibilidad de conexión de baterías también puede permitir flexibilidad en la colocación de baterías. Tal flexibilidad de ubicación de baterías puede ser beneficiosa dondequiera que las baterías estén distribuidas en el vehículo.

Además, el uso de un material compuesto, o material no compuesto que no se queme, para el vehículo puede permitir una colocación flexible del paquete de baterías. En el caso de un diseño de piso bajo de un vehículo de uso pesado, la altura de las baterías puede ser una limitación. Por ejemplo, en algunas realizaciones, como un autobús escolar o de tránsito de piso bajo, es posible que sea necesario mantener las baterías a menos de 0,171 m de altura. La integración de los paquetes de baterías en el piso de un vehículo puede mantener el centro de gravedad del vehículo mucho más bajo y equilibrar la distribución del peso, lo que aumenta la capacidad de conducción y la seguridad.

Disposición de baterías

La Figura 2C muestra un ejemplo de disposición de baterías. Un módulo puede caber dentro de un paquete de baterías, que puede caber dentro de un conjunto de baterías, que puede incluir cadenas de paquetes de baterías conectados en serie.

La Figura 3 muestra un bosquejo de alto nivel de una disposición de baterías, que puede usarse como fuente de energía de propulsión de acuerdo con un ejemplo. El conjunto de baterías en un vehículo puede estar diseñado para tener cualquier número de cadenas de baterías principales. Por ejemplo, en una realización, el conjunto de baterías puede incluir tres cadenas de baterías principales. Cada cadena puede constar de varios paquetes de baterías. Por ejemplo, puede haber dos paquetes por cadena. Cada cadena puede o no tener el mismo número de paquetes. Por ejemplo, cada cadena puede tener dos paquetes. En otro ejemplo, una cadena puede tener dos paquetes, otra cadena puede tener un paquete y otra cadena puede tener cinco paquetes. Las cadenas pueden disponerse de modo que estén conectadas en paralelo. Alternativamente, las cadenas pueden permitir que los paquetes se conecten en serie.

Se puede integrar un sistema de gestión de baterías (BMS) en los paquetes y/o módulos para dar una advertencia temprana sobre posibles problemas con celdas de baterías más débiles dentro de una cadena. El BMS puede brindar retroalimentación precisa sobre las tensiones y las temperaturas de las celdas dentro de los módulos para garantizar un paquete de baterías saludable. Si hay algún problema con una cadena en particular, esos módulos pueden retirarse automáticamente del servicio y el vehículo puede operar con capacidad reducida hasta el final del día si es necesario. El BMS puede desconectar una cadena de baterías si se detecta una falla. Incluso si se conecta una cadena completa de baterías, el vehículo puede funcionar.

La Figura 4 muestra un esquema de un conjunto de baterías que puede utilizarse para impulsar un vehículo de uso pesado, como un autobús, según un ejemplo. En algunos casos, los paquetes pueden disponerse eléctricamente en una configuración escalonada para igualar las resistencias del cableado y garantizar un funcionamiento similar de cada cadena. Un ejemplo de una configuración escalonada es un grupo de cuatro paquetes (paquete 1, paquete 2, paquete 3, paquete 4 alineados de cerca a lejos), que están dispuestos en dos cadenas. La primera cadena puede conectar el paquete 1 y el paquete 4 juntos, mientras que la segunda cadena puede conectar el paquete 2 y el paquete 3 juntos. Cada paquete puede tener la misma cantidad de cable conectando las dos baterías incluso si cada paquete está a una distancia diferente del área de unión. Cada paquete se puede montar individualmente desde debajo del vehículo en una, dos o más cavidades integradas en el piso.

Un paquete puede incluir cajas o contenedores que encierran el contenido del paquete. Los contenedores pueden tener cualquier forma o configuración que les permita mantener el contenido del paquete de baterías. Los recipientes pueden ser herméticos y pueden estar formados por un material que no se oxidará ni quemará cuando se exponga a un arco eléctrico. Por ejemplo, el material de los contenedores puede ser acero inoxidable 3CR12 para proteger contra la corrosión de las sales del camino, inhibir la oxidación cuando entra en contacto con un arco eléctrico y ayudar con la fatiga del material. Se pueden usar otros materiales, como materiales compuestos, que pueden tener características similares.

Diseño del paquete de baterías

La Figura 5 muestra un ejemplo de un paquete de baterías de una cadena. Un paquete de baterías puede incluir uno o más módulos. Por ejemplo, los paquetes de baterías pueden contener cada uno ocho módulos. Cada paquete de baterías de un conjunto de baterías puede incluir o no el mismo número de módulos. Por ejemplo, un paquete de baterías puede incluir seis módulos, mientras que otro paquete de baterías puede incluir ocho módulos, mientras que otro paquete de baterías también puede incluir ocho módulos.

El diseño del paquete puede adaptarse a la seguridad y el tamaño. En el diseño de un paquete, se pueden considerar una serie de factores que incluyen detección, contención, aislamiento y supresión. Cada una de estas áreas puede abordar un grupo de problemas potenciales que podrían producirse y puede ayudar a cumplir todas las Normas Federales de Seguridad de Vehículos a Motor aplicables.

Normas de seguridad de los vehículos

Un BMS puede ser un método de detección principal de un problema con una celda, módulo, paquete o cadena en particular. El BMS puede detectar cuándo ocurre una falla y puede dirigir el conjunto de la batería para que desconecte partes del conjunto de baterías, como cadenas de baterías individuales, donde pudo haber ocurrido la falla, a fin de evitar que otras porciones del conjunto de baterías se comprometan y para permitir el funcionamiento continuo del vehículo. El BMS puede comunicarse con y dentro de cada paquete para lograr el nivel deseado de detección y gestión.

El paquete puede ser hermético y puede proporcionar contención. El paquete puede estar contenido dentro de un contenedor o caja que pueda proteger el paquete de elementos externos que puedan dañar el contenido del paquete. El contenedor del paquete puede estar diseñado para proteger el paquete durante un largo período de tiempo. Además de proteger el contenido del paquete de amenazas externas, el contenedor de un paquete puede contener cualquier falla que pueda ocurrir dentro de un paquete, para evitar daños a otros paquetes o partes del vehículo.

Los divisores entre los módulos pueden proteger los módulos de otros módulos que pueden tener una falla, proporcionando así aislamiento. Si un módulo fallara, los divisores pueden proteger a otros módulos del módulo fallido. Los divisores pueden o no estar integrados en la estructura del contenedor del paquete y pueden estar hechos de un material que no se oxide cuando se expone a arcos eléctricos o altas temperaturas. La Figura 2C muestra un ejemplo de un contenedor de paquete con divisores de módulos.

La supresión puede no ser necesaria debido al espacio aéreo muy limitado dentro del recinto. En algunos casos, se pueden agregar configuraciones de supresión, lo que puede requerir proporcionar una ruta de escape para el material de supresión. La ruta de escape puede consistir en una abertura perforada en una sección del paquete con un escudo de retorno por resorte y un material de empaque para sellar la abertura de escape cuando no está en uso.

En algunas realizaciones, un paquete de baterías puede incluir módulos con disipadores de calor integrados, características de enfriamiento como una placa de enfriamiento, retenedores de módulos, barras colectoras para unir módulos y uno o más compartimentos pequeños que pueden alojar las placas BMS, los relés y los fusibles. El compartimento puede o no estar sustancialmente aislado térmica y/o físicamente de los módulos. El cableado de interconexión puede llegar a un conector hermético en la caja terminal pequeña que puede desconectar la alimentación del relé, lo que hace que los terminales del conector estén seguros cuando se desconecta el cable principal. El paquete puede incluir funciones de enfriamiento integradas además de las funciones de enfriamiento de los módulos. En algunas implementaciones, las placas de enfriamiento integradas pueden proporcionar enfriamiento desde un sistema de enfriamiento eléctrico principal del vehículo. En algunas realizaciones, las placas de enfriamiento se pueden mantener preferentemente por debajo de 43 °C para el funcionamiento de las baterías. Otras características de enfriamiento conocidas en la técnica, tales como varias disposiciones de disipadores de calor o el uso de enfriamiento por convección, se pueden usar en un paquete de baterías. También se pueden utilizar técnicas de enfriamiento activo, como enfriamiento por fluidos, que pueden utilizar ventiladores, el paso de aire, líquido u otros fluidos.

Un escudo térmico que consiste en un recubrimiento cerámico rociado en el punto más bajo de los paquetes se puede aplicar a los paquetes expuestos en la parte inferior del vehículo o en cualquier otro lugar donde el calor irradiado pueda ser una preocupación.

Tal diseño de paquete de baterías puede tener los siguientes beneficios: integración de bajo costo, diseño para la seguridad, facilidad de montaje, puede no necesitar mantenimiento y puede tener un montaje simple.

Diseño del módulo de baterías

La Figura 6 muestra un bosquejo de alto nivel de un módulo de baterías. Un módulo de batería puede incluir una o más celdas de baterías. En una realización preferible, las celdas de baterías pueden ser celdas de baterías de titanato de litio. En otras realizaciones, las celdas de baterías pueden tener otras químicas de baterías conocidas en la técnica. Por ejemplo, cada módulo puede comprender diez celdas de baterías. Cada módulo puede incluir o no el mismo número de celdas de baterías. Por ejemplo, un módulo puede incluir ocho celdas de baterías, mientras que otro módulo puede incluir doce celdas de baterías, y otro módulo puede incluir trece celdas de baterías, mientras que otro módulo puede incluir trece celdas de baterías.

Las celdas pueden tener cualquier disposición o conexión dentro del módulo. Por ejemplo, las celdas pueden estar todas conectadas en serie. Alternativamente, las celdas pueden conectarse en paralelo. O, en algunos casos, las celdas se pueden conectar en una combinación de serie o paralelo dentro del módulo.

Las celdas de baterías pueden tener varias especificaciones, como varias tensiones. Por ejemplo, cada celda de una batería de titanato de litio puede tener 2,3 Vnominal, 50 Ah dando una energía nominal de 115 Wh. Cada celda, como las baterías de iones de litio u otros tipos de baterías, puede variar o no en sus especificaciones. En algunas realizaciones, las celdas pueden ser celdas prismáticas. Cada celda prismática puede estar alojada en una bolsa especializada de Mylar/lámina y puede ser algo frágil. La carcasa del módulo se puede diseñar para proteger las celdas de daños externos, haciéndolas más fáciles de manejar y brindando soporte de enfriamiento.

Los módulos pueden incluir funciones de enfriamiento. Por ejemplo, los módulos pueden tener aletas de enfriamiento de aluminio integradas, colocadas entre cada celda. En otros ejemplos, todas las placas de enfriamiento pueden conectarse a una placa posterior de aluminio anodizado que luego se puede enfriar para soportar incluso el enfriamiento a través del módulo. Se pueden utilizar otras características de enfriamiento conocidas en la técnica, como diversas disposiciones de disipadores de calor, enfriamiento por convección forzada, etc.

La Figura 7 muestra un ejemplo de un módulo de acuerdo con un ejemplo. La carcasa de un módulo puede estar hecha de un material ABS que puede mecanizarse fácilmente y producirse muy rápidamente. En otras implementaciones, la carcasa de un módulo puede ser de otros materiales, como un material compuesto, fibra de vidrio o fibra de carbono. En algunos ejemplos, la carcasa puede estar hecha de un material que puede proporcionar cierto nivel de aislamiento, como un material que no se queme cuando se exponga a un arco eléctrico. Se puede incluir una placa de soldadura frontal para ubicar y sujetar con precisión los terminales a la caja para reducir las grietas por tensión de fatiga en las pestañas de las celdas. En algunos casos, las pestañas de las celdas pueden estar hechas de un metal, como aluminio. Los conectores del BMS se pueden integrar en la parte frontal del módulo para una conexión rápida de un BMS externo. Los terminales se pueden desplazar y roscar para la instalación vertical de pernos de fijación y facilitar el montaje.

Los módulos deben estar aislados entre sí para protegerlos contra posibles cortocircuitos. Esto se puede lograr mediante una cuidadosa selección de materiales y el procesamiento posterior de los disipadores de calor. Si alguna vez se detecta un cortocircuito a través del BMS, el sistema puede desconectar cada paquete en la cadena, lo que puede aislar la falla. Este nivel de seguridad puede incluirse en caso de un choque importante o falla del sistema de aislamiento.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un autobús eléctrico de piso bajo que comprende:

una carrocería;

un piso; y

una pluralidad de paquetes de baterías montados debajo del piso en áreas designadas en el piso, caracterizado porque cada paquete de baterías cabe en un área designada en el piso del autobús eléctrico de piso bajo.

2. El autobús eléctrico de piso bajo de acuerdo con la reivindicación 1 que tiene dos ejes, donde la pluralidad de paquetes de baterías está montada debajo del piso de modo que el piso entre los dos ejes esté nivelado y plano entre los dos ejes.

3. El autobús eléctrico de piso bajo de acuerdo con la reivindicación 1, donde cada paquete de baterías de la pluralidad de paquetes tiene una altura de 0,203 m o menos.

4. El autobús eléctrico de piso bajo de acuerdo con la reivindicación 1, donde cada paquete de baterías de la pluralidad de paquetes de baterías tiene una altura de 0,171 m o menos.