Procedimiento y dispositivo de regulación térmica de una batería recargable de almacenamiento de energía electrica.

Procedimiento de regulación térmica de al menos una batería de almacenamiento de energía eléctricarecargable,

específicamente de una batería de un vehículo de tracción eléctrica, comprendiendo al menos uncomponente electroquímico, en el cual se utiliza al menos un recinto (12) en el que se coloca dicho componenteelectroquímico de la referida batería (11), al menos una bomba de calor magnetocalórica (13, 23) asociada almencionado cerco, y al menos un órgano intercambiador de calor (14) abierto en el medio exterior y en el cual seintercambian calorías entre dicho componente electroquímico de la mencionada batería (11) y dicho medio exterior pormedio de un circuito (15) de circulación de un fluido termoportador acoplado entre la mencionada batería (11), dichabomba de calor (13, 23) y dicho intercambiador de calor (14), dicho procedimiento estando caracterizado porque labomba de calor (13,23) es alimentada únicamente por la batería en la cual ella está integrada a fin de que elmencionado procedimiento sea autónomo y permanente.

Procedimiento y dispositivo de regulación térmica de una batería recargable de almacenamiento de energía eléctrica

Campo técnico La presente invención está relacionada con un procedimiento de regulación térmica autónomo y permanente de al menos una batería de almacenamiento de energía eléctrica recargable, específicamente de una batería de un vehículo de tracción eléctrico o híbrido, que comprende al menos un componente electroquímico.

La presente invención está relacionada igualmente con un dispositivo de regulación térmica autónomo y permanente de al menos una batería de almacenamiento de energía eléctrica recargable, particularmente de una batería de un vehículo de tracción eléctrico o híbrido, que comprende al menos un componente electroquímico.

Técnica anterior

Las baterías eléctricas recargables constituyen el principal órgano crítico de los vehículos de tracción eléctricos o híbridos. Las baterías electroquímicas de última generación, particularmente de litio, alcanzaron un nivel de rendimiento suficiente para el despliegue comercial. Sin embargo, un control térmico interno riguroso de las baterías es determinante para garantizar la durabilidad de este órgano costoso y relativamente frágil. Además, las realizaciones actuales aún no ofrecen la estabilidad de prestaciones (funcionamiento normal garantizado cualquiera que sea la temperatura ambiente) , inclusive la disponibilidad de la batería en determinadas condiciones de uso, en las cuales los vehículos de carburante fósil habituaron los usuarios, a saber una autonomía kilométrica que no está vinculada a la temperatura.

En efecto, las variaciones térmicas experimentadas por la electroquímica de estas baterías nuevas de fuerte densidad de energía o de potencia, impactan fuertemente, según sus condiciones de ambiente y uso, su salud y longevidad son acumulativas, y sus rendimientos son instantáneos. De esta forma es generalmente admitido que estas baterías requieran un sistema de regulación térmica activo, a partir de que alcanzan una determinada dimensión crítica o que son situadas en un ambiente térmico adverso.

Las soluciones actuales son principalmente aportadas por dispositivos clásicos de regulación térmica, de aire o de fluido termoportador, pero que tienen el inconveniente de ser grandes consumidores de energía, voluminosos y poco eficaces. Otro inconveniente que surge de lo anterior es que no se puede recurrir a estos medios de regulación sino de forma limitada a partir del momento en que deben perder su energía en la batería por sí sola. Este es el caso cuando la batería se encuentra en autonomía, es decir, cuando no está siendo recargada.

Para los vehículos eléctricos o híbridos específicamente, el sistema de regulación térmica no es clásicamente activado sino cuando el vehículo rueda o está en carga. En carretera, el dispositivo de regulación térmico se limita generalmente a tomar parte de los recursos térmicos gratuitamente disponibles cuando su balance de temperatura es favorable (por ejemplo intercambio directo con el aire de ambiente) . Por esto, los rendimientos de la batería no son optimizados y varían particularmente con la estación. Asimismo, el dispositivo de regulación siendo desactivado cuando se detiene, después de un estacionamiento prolongado en condiciones adversas, las prestaciones de la batería pueden ser degradadas hasta la indisponibilidad total del vehículo.

Estos defectos no son bien aceptados por los usuarios que se habituaron a rendimientos de alto nivel y a una confiabilidad considerable, inclusive en vehículos de baja calidad, así como a una seguridad de utilización sin fallas.

Existen por otra parte dispositivos de enfriamiento de los motores térmicos de vehículos que utilizan en su circuito de enfriamiento una bomba de calor de material magneto calórico que recupera la energía térmica producida por el motor y la reinyecta en el habitáculo del vehículo – ver específicamente las publicaciones US2005/0047284 y JP2005/055060. Sin embargo, estos dispositivos de enfriamiento son dependientes del funcionamiento del motor y no pueden ser activados independientemente. De hecho, no son transferibles al enfriamiento de una batería como esta.

No obstante, parece indispensable que se aporten soluciones para mejorar esta situación y cubrir los desperfectos de los dispositivos de regulación térmica existentes.

Exposición de la invención El objeto de la presente invención consiste en paliar los inconvenientes mencionados arriba ofreciendo una regulación térmica de una alta eficacia energética, poco consumidora de energía eléctrica, respetuosa del medioambiente y apta para asegurar un control térmico preciso, autónomo y permanente de la batería, movilizando muy poco su energía eléctrica almacenada para alimentar la regulación térmica a fin de maximizar la capacidad de la batería disponible para las funciones útiles del sistema alimentado, específicamente la motricidad y la autonomía de los vehículos eléctricos.

Este objetivo es logrado por el procedimiento según la invención como se define previamente, caracterizado porque se utiliza al menos un recinto en el cual se coloca dicho componente electroquímico de la referida batería, al menos una bomba de calor magneto calórico asociada a dicho recinto y alimentada únicamente por la batería, y al menos un órgano intercambiador de calor abierto en el medio exterior y porque se intercambian calorías entre dicho componente electroquímico de la referida batería y dicho medio exterior por medio de un circuito de circulación de un fluido termoportador acoplado entre dicha batería, dicho intercambiador de calor y dicha bomba de calor.

El procedimiento según la invención da solución a los inconvenientes expuestos con anterioridad porque la potencia térmica restituida, utilizada para asegurar la regulación térmica de la mencionada batería, extrae poco de sus recursos internos, gracias a la excepcional eficacia energética (coeficiente de rendimiento comprendido entre 4 y 10) de la bomba de calor magnetocalórica que está basada en una propiedad cuántica de la materia : una orientación variable de los espines de los electrones externos de los átomos constituyendo él o las aleaciones magnetocalóricas y no en un cambio de fase de un gas refrigerante realizado por una acción mecánica de compresión y distención fuertemente consumidora de energía. Así se puede hacer intervenir el dispositivo de regulación térmica regularmente, incluyendo cuando el vehículo está en autonomía en su batería, de tal forma que la batería funciona en permanencia en condiciones favorables.

Según un modo de realización ventajosa, se utilizan diferentes bombas de calor magnetocalóricas, cada una de estas bombas opera en un franja de temperatura determinada, y se conecta al menos una de las referidas bombas con la referida batería y dicho órgano intercambiador de calor abierto en el medio exterior en función de la franja de temperatura interior y/o exterior del componente electroquímico de dicha batería.

La ventaja de esta disposición procede de que en todas circunstancias, la regulación térmica de la batería se carga por una o varias bombas de calor magnetocalóricas optimizadas para la franja de temperaturas actual. Esta manera de proceder permite beneficiarse de una eficacia energética muy superior a la de una bomba de calor única, que debía estar dimensionada para un gran alcance del domino de temperaturas, es decir, que ésta no funciona nunca con la proximidad de las temperaturas extremas de este dominio de temperaturas.

Ventajosamente, en una realización adaptada a la regulación térmica de una batería o de un grupo de baterías expuestas a las variaciones de temperaturas de gran amplitud entre el verano y el invierno, se utilizan dos bombas magnetocalóricas, cada una estando ajustadas para funcionar en un gradiente de temperatura del orden de 50 K : una de dichas bombas entre una temperatura mínima del intercambiador abierto en el medio exterior del orden de -35°C y una temperatura interior del orden de +20°C, y otra de dichas bombas entre una temperatura máxima de dicho intercambiador del orden de +70°C y una temperatura interior del orden de +20°C.

Ventajosamente, las referidas diferentes bombas de calor mutualizan funciones comunes para constituir un aparato único. En efecto, la única parte que los diferencia es el regenerador activo haciendo uso de los materiales magnetocalóricos adaptados a dichas franjas de temperaturas, las otras funciones tales como el cárter, el sistema de conmutación magnética, el sistema de conmutación hidráulica, y los sistemas de marcha y de bombeo... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de regulación térmica de al menos una batería de almacenamiento de energía eléctrica recargable, específicamente de una batería de un vehículo de tracción eléctrica, comprendiendo al menos un componente electroquímico, en el cual se utiliza al menos un recinto (12) en el que se coloca dicho componente electroquímico de la referida batería (11) , al menos una bomba de calor magnetocalórica (13, 23) asociada al mencionado cerco, y al menos un órgano intercambiador de calor (14) abierto en el medio exterior y en el cual se intercambian calorías entre dicho componente electroquímico de la mencionada batería (11) y dicho medio exterior por medio de un circuito (15) de circulación de un fluido termoportador acoplado entre la mencionada batería (11) , dicha bomba de calor (13, 23) y dicho intercambiador de calor (14) , dicho procedimiento estando caracterizado porque la bomba de calor (13, 23) es alimentada únicamente por la batería en la cual ella está integrada a fin de que el mencionado procedimiento sea autónomo y permanente.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan diferentes bombas de calor magnetocalóricas (13, 23) , cada una de estas bombas siendo operacional en una franja de temperatura determinada, y porque se conecta al menos una de las mencionadas bombas con la mencionada batería y el mencionado órgano intercambiador de calor abierto en el medio exterior en función de la franja de temperatura interior y/o exterior del componente electroquímica de la mencionada batería.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, adaptado a la regulación térmica de una batería o de un grupo de baterías expuestas a variaciones climáticas de gran amplitud entre el invierno y el verano, caracterizado porque se utilizan dos bombas de calor magnetocalóricas (13, 23) ajustadas para funcionar apreciablemente en un gradiente de temperatura del orden de 50 K, entre una temperatura mínima del intercambiador abierto en el medio exterior del orden de -30°C y una temperatura interior del orden de +20°C para una de las aludidas bombas, y entre una temperatura máxima de dicho intercambiador del orden de +70°C y una temperatura interior del orden de +20°C para la otra de las referidas bombas.

4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque las referidas bombas de calor magnetocalóricos (13, 23) son integradas en un sólo dispositivo (10) termo al menos algunas de sus funciones indistintas y que emplea al menos dos regeneradores magnetocalóricos, cada uno adaptado a un franjas de temperatura específica, así como un dispositivo de conmutación (16) hidráulico o mecánico de los referidos regeneradores, de manera que el fluido termoportador no circula sino en el o los regeneradores adaptados a las condiciones operatorias del momento.

5. Dispositivo (10) de regulación térmica de al menos un batería de almacenamiento de energía eléctrica recargable, específicamente de una batería de un vehículo de tracción eléctrica o híbrida, comprendiendo al menos un componente electroquímico, para llevar a cabo el procedimiento de la reivindicación 1, comprendiendo al menos un recinto (12) en el cual se coloca dicho componente electroquímico de la referida batería (11) , al menos una bomba de calor magnetocalórica (13, 23) asociada al referido cerco, al menos un circuito (15) de circulación de un fluido termoportador acoplado entre la referida batería y la referida bomba de calor y al menos un órgano intercambiador de calor (14) abierto sobre el medio exterior y conectado a dicho circuito de circulación de fluido termoportador para intercambiar calorías con el referido medio exterior, el referido dispositivo siendo caracterizado porque la bomba de calor (13, 23) es alimentada únicamente por la batería en la cual ella está integrada.

6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque comprende diferentes bombas de calor magnetocalóricas (13, 23) , cada una de estas bombas siendo operacional en una franja de temperatura determinado, y porque se conecta al menos una de las referidas bombas con la referida batería y el referido órgano intercambiador de calor abierto sobre el medio exterior en función de la franja de temperatura interior y/o exterior del componente electroquímico de la referida batería.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, adaptado a la regulación térmica de una batería o de un grupo de baterías expuestas a variaciones climáticas de gran amplitud entre el invierno y el verano, caracterizado porque comprende dos bombas de calor magnetocalóricas (13, 23) ajustadas para funcionar considerablemente en un gradiente de temperatura del orden de 50 K, entre una temperatura mínima del intercambiador abierto sobre el medio exterior del orden de -30°C y una temperatura interior del orden de +20°C para una de las referidas bombas, y entre una temperatura máxima del referido intercambiador del orden de +70°C y una temperatura interior del orden de +20°C para la otra de las referidas bombas.

8. Dispositivo según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque las referidas bombas de calor magnetocalóricas (13, 23) son integradas en un sólo aparato uniendo al menos algunas de sus funciones indistintas y comprendiendo dos o diferentes regeneradores magnetocalóricos, cada uno adaptado a una franja de temperatura específica, así como un dispositivo de conmutación (16) mecánico o hidráulico de los referidos regeneradores, de

manera que el fluido termoportador no circula sino en el o los regeneradores adaptados a las condiciones operatorias del momento.