SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA PARA ALIMENTAR DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE USUARIO DE UN VEHICULO.
Sistema (15) de almacenamiento de energía para alimentar dispositivos eléctricos de usuario de un vehículo híbrido;
comprendiendo el sistema (15) de almacenamiento de energía:
una batería (20); un elemento capacitivo (21) conectado en paralelo a los terminales de la batería (20); y un elemento inductivo (22) conectado en serie a la batería (20), entre la batería (20) y el elemento capacitivo (21); medios para regular el flujo de potencia/energía entre la batería (20) y el elemento capacitivo (21) durante los transitorios de descarga y de carga, de forma que la relación entre la capacidad de la batería (20) medida en (Ah) y la capacidad del elemento capacitivo (21) medida en (F) es menor que 1; estando el sistema (15) de almacenamiento de energía caracterizado porque comprende medios para que la relación entre la capacidad de la batería (20) medida en (Ah) y la inductancia del elemento inductivo (22) medida en (µH) sea menor que 1
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E06113326.
Solicitante: MAGNETI MARELLI POWERTRAIN S.P.A.
ENEA-ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L'ENERGIA E L'AMBIENTE.
Nacionalidad solicitante: Italia.
Dirección: VIALE ALDO BORLETTI, 61/63,20011 CORBETTA.
Inventor/es: PENNESE, MICHELE, PUCCETTI,ANGELO.
Fecha de Publicación: .
Fecha Solicitud PCT: 28 de Abril de 2006.
Fecha Concesión Europea: 11 de Noviembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- F02N11/08B
- H02J7/34C
Clasificación PCT:
- F02N11/08 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION. › F02N ARRANQUE DE LOS MOTORES DE COMBUSTION; MEDIOS O ACCESORIOS PARA EL ARRANQUE DE ESTOS MOTORES, NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR. › F02N 11/00 Arranque de los motores por medio de motores eléctricos. › Circuitos especialmente adaptados para el arranque de los motores.
- H02J7/34 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02J CIRCUITOS O SISTEMAS PARA LA ALIMENTACION O LA DISTRIBUCION DE ENERGIA ELECTRICA; SISTEMAS PARA EL ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ELECTRICA. › H02J 7/00 Circuitos para la carga o despolarización de baterías o para suministrar cargas desde baterías. › Funcionamiento en paralelo, en las redes, de baterías con otras fuentes de corriente continua, p. ej. batería de compensación (H02J 7/14 tiene prioridad).
Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.
Fragmento de la descripción:
Sistema de almacenamiento de energía para alimentar dispositivos eléctricos de usuario de un vehículo.
Campo técnico
La presente invención se refiere un sistema de almacenamiento de energía para alimentar dispositivos eléctricos de usuario de un vehículo.
La presente invención puede utilizarse para mejoras en la industria automovilística, a la que se refiere la siguiente descripción únicamente a modo de ejemplo.
Arte previo
Actualmente se admite en general la necesidad de soluciones tecnológicas más eficaces a los problemas planteados en el transporte de pasajeros tanto privado como público. En concreto, cada vez se dedica más atención a conseguir una reducción sustancial en el consumo y una reducción real en las emisiones contaminantes y acústicas, especialmente en áreas urbanas. Ambos problemas son de interés universal, y no hay ninguna compañía de automóviles que no esté actualmente involucrada en investigar y desarrollar vehículos capaces de proporcionar por lo menos soluciones parciales y de reducir las consecuencias que estos problemas tienen en las condiciones de la vida humana.
Esto explica el uso cada vez más amplio de vehículos innovadores equipados con sistemas de propulsión altamente eficientes, poco contaminantes. A este respecto, es especialmente interesante el desarrollo de los denominados vehículos híbridos
conocidos como HEVs (Hybrid Electric Vehicles, vehículos eléctricos híbridos). Estos son vehículos de diversos diseños que integran un sistema generador eléctrico, un sistema de almacenamiento reversible y un sistema de tracción que comprende un motor eléctrico y un motor de combustión, y a su vez están clasificados, en función del grado de hibridación, como: HEV suave
, HEV medio
y HEV completo
.
Actualmente, los vehículos utilizados forma más general son los de la clase de híbrido mínimo o HEV suave
o vehículo eléctrico híbrido suave
. En este caso, se añade a un vehículo de diseño convencional la posibilidad de utilizar una tracción eléctrica sobre distancias muy cortas o en situaciones particulares de corta duración. Es importante observar que incluso un grado mínimo de hibridación tiene ventajas en términos de reducción de consumo y emisiones contaminantes, especialmente conduciendo en áreas urbanas.
Un vehículo convencional está equipado con una batería de plomo de 12 voltios capaz de suministrar una potencia media de 400-800 vatios y una potencia máxima de 1500-3500 vatios (necesaria solo al arrancar el motor). Por otra parte, un vehículo HEV suave
está equipado con una batería (un grupo de baterías) que puede proporcionar una potencia media de 2500-3500 vatios y una potencia máxima de 8000-11000 vatios (necesaria solo al arrancar el motor).
En el modo de arranque y parada
, el motor de combustión interna se apaga cuando el vehículo está detenido o parándose (típicamente a causa del tráfico, como es un semáforo rojo o un cruce con un ceda el paso), y se arranca de nuevo cuando el conductor presiona el acelerador. Durante el arranque, el motor eléctrico del motor de arranque consume una cantidad considerable de energía eléctrica, de ese modo sobrecargando enormemente y reduciendo la carga eléctrica de la batería del vehículo. Por lo tanto, en el modo arranque y parada
se hace un uso intensivo de la batería del vehículo, debido a la alta frecuencia con la que se arranca el motor de combustión interna, en concreto conduciendo en tráfico urbano.
El modo de regeneración también incrementa el esfuerzo de la batería del vehículo, debido a que la batería tiene que absorber una gran cantidad de energía eléctrica durante un periodo de tiempo corto. En el modo de regeneración, se utiliza la desaceleración del vehículo para generar energía eléctrica, que se almacena en la batería del vehículo, recuperando de este modo por lo menos parte de la energía cinética que si no se disiparía en forma de calor mediante el sistema de frenado convencional.
En una batería de vehículo, controlar el flujo de potencia y de energía durante los transitorios de descarga fuertes cuando se arranca el motor de combustión interna es una cuestión delicada, en concreto cuando al mismo tiempo se reclama de la batería que alimente otros dispositivos eléctricos. De hecho, la reducción en la capacidad de la batería provocada por dispositivos eléctricos que funcionan simultáneamente puede afectar seriamente al arranque del motor de combustión interna, debido a la elevada potencia transitoria requerida en esta etapa.
Para abordar estos problemas se han propuesto diversas soluciones, todas basadas principalmente en sistemas de almacenamiento de energía que comprenden una combinación de baterías y de bancos de ultracondensadores. En los sistemas conocidos de almacenamiento de energía de esta clase, el flujo de energía se controla mediante lógica de control predeterminada que requiere la fabricación de utilización de circuitos de control electrónico específicos, complicando de ese modo el sistema e incrementando los costes tanto de producción como de mantenimiento rutinario.
El artículo Super-capacitors for peak load shaving of batteries
(Bonert et al. European Conference on Power Electronics and Applications, 8 de septiembre de 1997, Trondheim) revela unos condensadores nuevos de alta energía de doble capa, que proporcionan un almacenamiento de energía eléctrica de corta duración.
Revelación de la invención
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un sistema de almacenamiento de energía, para alimentar dispositivos eléctricos de usuario en un vehículo, diseñado para eliminar los inconvenientes mencionados, y que sea barato y fácil de fabricar, y sea especialmente eficaz controlando flujos de potencia y/o de energía durante transitorios de carga y descarga.
Según la presente invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de energía para alimentar dispositivos eléctricos de usuario en un vehículo, como el reivindicado en las reivindicaciones anexas.
Breve descripción de los dibujos
Se describirán, a modo de ejemplo, una serie de realizaciones no limitativas de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
la figura 1 muestra cuatro esquemas posibles para conectar mecánicamente una máquina eléctrica y un motor de combustión interna en un tren de fuerza de un vehículo híbrido;
la figura 2 muestra, esquemáticamente, un tren de fuerza de un vehículo híbrido equipado con un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con la presente invención;
la figura 3 muestra un gráfico temporal de la tensión y la corriente medidas en los terminales de una batería estándar de un vehículo durante el arranque en caliente;
la figura 4 muestra un detalle de la figura 3;
las figuras 5 y 6 muestran gráficos de la corriente y la tensión de un sistema de almacenamiento de energía acorde con la presente invención, durante el arranque en caliente;
la figura 7 muestra un gráfico temporal de la tensión y la corriente medidas en los terminales de una batería estándar de un vehículo, durante el arranque en frío;
las figuras 8 y 9 muestran gráficos de la corriente y la tensión de un sistema de almacenamiento de energía acorde con la presente invención, durante el arranque en frío;
la figura 10 muestra un gráfico temporal de la corriente medida en los terminales de una batería estándar de vehículo durante un frenado regenerativo;
las figuras 11 y 12 muestran gráficos temporales de la corriente y la tensión de un sistema de almacenamiento de energía acorde con la presente invención, durante un frenado regenerativo.
Realizaciones preferidas de la invención
El número 1 en la figura 1 indica como un todo un tren de fuerza de un vehículo híbrido (no mostrado). El tren de fuerza 1 comprende un motor de combustión interna 2 que tiene un eje 3 de la transmisión conectado a una transmisión 4 con la interposición de un embrague 5; la transmisión 4 tiene un eje de entrada 6 conectado mecánicamente al eje 3 de la transmisión con la interposición del embrague 5, y un eje de salida 7 conectado mecánicamente a las ruedas de tracción (no mostradas) del vehículo híbrido; y el tren de fuerza 1 comprende también una máquina eléctrica reversible 8 que puede funcionar como motor eléctrico y como generador eléctrico.
Reivindicaciones:
1. Sistema (15) de almacenamiento de energía para alimentar dispositivos eléctricos de usuario de un vehículo híbrido; comprendiendo el sistema (15) de almacenamiento de energía:
2. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 1, en donde este comprende medios para que la relación entre la capacidad de la batería (20) medida en (Ah) y la inductancia del elemento inductivo (22) medida en (µH) sea menor que 0,5.
3. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 1, en donde este comprende medios para que la relación entre la capacidad de la batería (20) medida en (Ah) y la inductancia del elemento inductivo (22) medida en (µH) sea menor que 0,25.
4. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 1, 2 o 3, donde este comprende medios para que la capacidad del elemento capacitivo (21) sea dimensionada primero, y la inductancia del elemento inductivo (22) sea dimensionada a continuación en función de la capacidad del elemento capacitivo (21).
5. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 4, donde este comprende medios para que la capacidad del elemento capacitivo (21) esté dimensionada para permitir que el elemento capacitivo (21) almacene energía suficiente para alimentar los dispositivos eléctricos de usuario del vehículo de forma independiente durante un intervalo de tiempo inicial predeterminado de un transitorio de descarga.
6. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 5, en donde este comprende medios para que el elemento capacitivo (21) esté dimensionado para satisfacer los siguientes requisitos:
7. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 6, en donde este comprende medios para que el elemento capacitivo (21) esté dimensionado de acuerdo con la ecuación:
donde:
8. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 4 a 7, donde este comprende medios para que la capacidad del elemento capacitivo (21) esté dimensionada para permitir que el elemento capacitivo (21) absorba energía suministrada por los dispositivos eléctricos de usuario del vehículo durante un intervalo de tiempo inicial predeterminado de un transitorio de carga.
9. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 8, en donde este comprende medios para que el elemento capacitivo (21) esté dimensionado de acuerdo con la ecuación:
donde:
10. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde este comprende medios para que la inductancia del elemento inductivo (22) esté dada por la ecuación:
donde:
11. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 10, en donde este comprende medios para que la constante de tiempo de la rama en serie definida por la batería (20) y el elemento inductivo (22) sea igual a 1/4 del intervalo de tiempo inicial predeterminado de un transitorio de descarga.
12. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 1 a 11, en donde este comprende medios para que la duración del intervalo de tiempo inicial de un transitorio de descarga se determine en función del patrón de tiempo del suministro de corriente requerido del sistema (15) de almacenamiento de energía durante el transitorio de descarga, y en función de un suministro deseado de corriente máxima mediante la batería (20) durante el transitorio de descarga.
13. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 12, en donde este comprende medios para que la duración del intervalo de tiempo inicial de un transitorio de descarga sea igual al intervalo de tiempo necesario para que el suministro de corriente requerido del sistema (15) de almacenamiento de energía durante el transitorio de descarga sea igual al suministro deseado de corriente máxima mediante la batería (20) durante el transitorio de descarga.
14. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el elemento capacitivo (21) comprende un módulo de elementos de ultracondensador.
15. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en la reivindicación 14, en el que los ultracondensadores son del tipo condensador eléctrico de doble capa
.
16. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 1 a 15, en el que el elemento capacitivo (21) comprende un circuito de compensación.
17. Sistema (15) de almacenamiento de energía como el reivindicado en una de las reivindicaciones 1 a 16, y que comprende una carcasa (18) que aloja la batería (20), el elemento inductivo (22) y el elemento capacitivo (21), y comprende terminales (19) para la conexión a un sistema eléctrico del vehículo.
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