ES1178858U - Vehículo eléctrico equipado con sistema de batería modular extraíble parcialmente para uso dual: tracción y almacenamiento energético en instalaciones de generación distribuida - Google Patents

Abstract

1. Vehículo eléctrico (coche) equipado con un conjunto de baterías modular extraíble parcialmente, caracterizado por disponer de un conjunto total de baterías compuesto de dos o más módulos independientes de baterías conectadas eléctricamente en paralelo, a la tensión nominal interna del vehículo, que se puedan desconectar/reconectar (=extraer/insertar) de acuerdo a las necesidades de autonomía de desplazamiento del usuario. El vehículo dispondrá de dos autonomías eléctricas diferentes, una completa o extendida, correspondiente al total del conjunto de baterías conectadas y otra reducida, correspondiente al módulo de baterías que permanecen en el vehículo una vez se han desconectado y retirado el resto de módulos para otro uso distinto al de tracción (almacenamiento energético).

Description

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D E S C R I P C I O N

VEHICULO ELECTRICO EQUIPADO CON SISTEMA DE BATERIA MODULAR EXTRAIBLE PARCIALMENTE PARA USO DUAL: TRACCION Y ALMACENAMIENTO ENERGETICO EN INSTALACIONES DE GENERACION

DISTRIBUIDA

SECTOR DE LA TECNICA

Vehteulos electricos (VVEE), baterias electricas, generacion distribuida electrica (GD) y autoconsumo electrico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El fenomeno conocido como "cambio climatico” esta impulsando el uso de enemas alternativas frente a los combustibles fosiles, considerados el motivo principal por la emision de CO2 en la atmosfera que causa el efecto invernadero que a su vez produce el calentamiento terrestre.

Los cambios tecnologicos impulsados por la lucha contra el cambio climatico centran su atencion en el aumento de las energias renovables y la utilization de tecnicas sin emisiones de gases de efecto invernadero.

Son muchos los frentes sobre los que se trabaja, pero con especial incidencia se enfocan los desarrollos hacia dos de los sectores que en la actualidad producen la mayor cantidad de gases de efecto invernadero a la atmosfera:

O El Sector de production de energia electrica: cada vez mas se fomenta la generacion de energia por medios limpios, con especial enfoque a la generacion distribuida en viviendas utilizando la energia fotovoltaica, especialmente aplicable a viviendas unifamiliares, pero tambien multi-propiedad (pisos).

O El Sector del transporte por carretera: la punta de lanza es el uso del vehiculo electrico, impulsado por baterias electricas cada vez mas eficientes, con menos peso y mayor densidad de energia.

Ambos sectores tienen un punto en comun, que de ser utilizado de manera inteligente, puede mejorar espectacularmente la optimizacion y eficiencia de ambos sistemas.

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O GENERACION DISTRIBUIDA (GD):

Con alguna dificultad por la falta de una reglamentacion transparente, clara y justa para todos los involucrados (generadores domesticos, empresas de distribution de ene^a electrica y Estados que requieren de tributos en este tipo de actividad para financiar otras areas) es un hecho que este fenomeno se desarrollara de forma imparable una vez que los precios de instalacion de tecnologias, como por ejemplo la fotovoltaica, lleguen a unos valores con periodos de amortization de 4-5 anos. Es previsible que esto suceda en un plazo breve, de pocos anos, pero aun asi y todo, existen paises donde se ha llegado a niveles de penetracion realmente profundos, que permiten asegurar que este fenomeno se asentara a nivel mundial en poco tiempo, lo que por otra parte, resulta esperanzador por ser una de las acciones que pueden mitigar las emisiones incesantes de gases de efecto invernadero y por consiguiente ser un arma de lucha contra el cambio climatico.

Un aspecto que esta pendiente de desarrollo por las limitaciones tecnologicas y costes asociados, es el uso combinado de la autoproduccion y almacenamiento, que para tecnologias como la fotovoltaica pueden representar su despegue definitivo por la gran utilidad de almacenar la energia generada en horas centrales del dia y poder utilizarla durante el resto del dia para cualquier otro uso, tanto domestico como de cualquier otro tipo.

O VEHfCULOS ELECTRICOS (VVEE):

En paralelo con el punto anterior, en los ultimos anos estamos asistiendo a una evolution constante y progresiva de los VVEE, especialmente a lo referente a su autonomia, lo que esta favoreciendo sus ventas y coeficiente de penetration. Existen paises como es el caso de Noruega, que a fecha de esta publication (Dic 2016), los VVEE representan un 20% del total del parque automovilistico del pais.

Las autonomias actuales, cercanas a 150 km, se consiguen en la mayoria de los casos con baterias de 20 kWh, estimandose un consumo medio de entre 15 y 18 kWh/100 km dependiendo del estilo de conduction, orografia y velocidad media empleada.

La mayona de los fabricantes estan en estos momentos desarrollando una generation siguiente de vehiculos que doble e incluso triplique esta autonomia, utilizando para ello ademas de sistemas mas eficientes (motores smcronos de imanes permanentes y mejoras en los sistemas electronicos de control) baterias mas potentes, con capacidades de energia entre los 40 y 60 kWh. Es previsible que durante los proximos 2 anos (2017 y 2018) asistamos a multiples anuncios de fabricantes que vayan en esta

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direccion (Renault es un ejemplo, con al modelo ZOE 400 km, equipado con una bateria de 40 kWh, frente al modelo anterior ZOE 180 km, de 20 kWh).

En realidad el 90% de los desplazamientos diarios en coche tienen un recorrido inferior a 60 - 80 km, por consiguiente las nuevas baterias aportaran una autonomia extra pero que sera realmente util solo para unos dias concretos.

EXPUCACION DE LA INVENCION

Por lo indicado en el apartado anterior confluyen en el tiempo y en el espacio dos tecnologias que son absolutamente complementarias y se ayudan una a la otra de forma extraordinaria:

> Sistemas de GD en los que el almacenamiento energetico es imprescindible para optimizar el rendimiento y utilizacion de la energia captada en ciertas horas del dia (diurna/fotovoltaica, horas determinadas/eolica) en otros periodos diferentes.

> VVEE que optimizan sus autonomias hasta valores 300/400 km, pero que no seran requeridas de uso diario, sino puntual o esporadico.

La laguna actual de almacenamiento energetico en los sistemas de GD puede ser perfectamente cubierta por el exceso de bateria que se dotara a los VVEE de nueva generacion, cuando estos no la requieran para sus desplazamientos ordinarios, que bien puede ser cubierta por una parte reducida de la bateria.

Para que esto sea posible, el VE debe permitir en su concepcion desde el primer instante de diseno los siguientes aspectos:

• La capacidad de acceso y desmontaje rapido de una parte importante de la bateria (por ejemplo en el caso de un vehiculo con 40 kWh de almacenamiento, la mitad, es decir, 20 kWh).

• El desmontaje de la bateria indicada en el punto anterior, debe ser compatible con la gestion electronica del VE, adaptandose automaticamente la misma al pack de bateria residual, proporcionando en todo momento una information real al usuario (autonomia maxima disponible, capacidad instantanea, etc.).

• El pack de bateria retirado o desmontado, debe estar disenado de tal forma que para cualquier usuario resu0lte sencillo y ejecutable en un tiempo mmimo, 1-3 min, y al mismo tiempo debe ser ejecutado de forma totalmente segura, tanto

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desde el punto de vista electrico (tension entre 300 y 500 Vcc) como desde el punto de vista de carga fisica (peso aproximado para una bateria de ion-Li de 20 kWh = 150 kg).

• Los requerimientos del punto anterior obligaran, indudablemente, a un esfuerzo de ingenieria de diseno, que incorpore los accesorios necesarios para eliminar completamente los riesgos indicados (tension y peso), al mismo tiempo que la operacion tanto de retirado-desconexion del pack de bateria, como de instalacion-conexionado, se realiza de forma comoda y segura, en un tiempo breve. Unica forma de que pueda ser legalizado y cumpla los requisitos tecnicos homologables y al mismo tiempo aceptado por los usuarios.

• Adicionalmente el pack de bateria retirado del VE y disponible ahora para uso en almacenamiento energetico, debe ser manipulable de forma segura para su conexion a un sistema de GD para su funcion de almacenamiento.

• Solo de la forma indicada, se podra obtener un uso dual de la bateria electrica excedentaria del VE para almacenamiento energetico en instalaciones de GD.

Los numeros que se aportan a continuation, absolutamente reales y coherentes con la actualidad tecnologica, demuestran que esta idea encaja perfectamente con las necesidades de los usuarios y puede resultar, aplicada correctamente esta idea, una ventaja competitiva decisiva para los fabricantes de VVE que la adapten en su portfolio

o catalogo de modelos, en la lucha por el

mercado.

> Baterias para VVEE

Bateria estandar VE (estimation 2017)

40 kWh

Consumo medio VE

17 kWh/100

Autonomia completa VE (bateria entera)

235,29 km

Autonomia mitad

117,65 km

Bateria mitad

20 kWh

Bateria Tesla "powerwall" (autoconsumo)

7 kWh

> Instalacion fotovoltaica domestica

Zona Madrid, n° horas equivalentes/ano

1632 horas/ano

n° horas dia (media) aprovechamiento

4,47 horas/dia

n° horas aprovechamiento verano

6 horas/dia verano

Potencia fotovoltaica a instalar/vivienda

5 kW

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Ene^a por superficie (fotovoltaica) 155 Superficie requerida teorica para 5 kW Superficie requerida real (huecos)

Coste unitario inversion (precios 2016) Coste total instalacion fotovoltaica 5kW

Wh/m2 32,26 m2 48,39 2,04545 10.227,25

m2

€/W

€

> Ene^a aportada por bateria 20 kWh en vivienda con instalacion autoconsumo (en las horas sin sol)

Iluminacion 500 Wh

Vitroceramica/microondas/horno 2.000 Wh

Ordenadores/accesorios 500 Wh

Calefaccion/Aire Acondicionado 10.000 Wh

Total 13.000 Wh

Sobrante en bateria 7.000 Wh

Capacidad para recarga bateria mitad VE 35 km (0,92x0,92x7 kWh/17 kWh cada 100 km), considerando un rendimiento en descarga y carga igual al 92% para ambas baterfas (la de autoconsumo y la del VE)

> Energia limpia obtenida diariamente Coste del kWh Ahorro diario Ahorro mensual Ahorro anual

20.000 WhMa 0,15 kWh 3 €

90 €

1.080 €

El ejemplo anterior se ha hecho para una bateria modular de 20 kWh y una instalacion fotovoltaica domestica de 5 kW de potencia instalada. El valor de la energia de la bateria modular dependera del fabricante del VE, se ha puesto uno que se considera razonable a la vista de la evolucion del mercado de VVEE y la autonomia que le supone mantener en el mismo una bateria equivalente a la senalada (20 kWh implican una autonomia real aproximada de 117 km, que suele ser mas que suficiente para los desplazamientos diarios habituales de un usuario normal) y el valor de la potencia instalada fotovoltaica depende exclusivamente de lo que el usuario quiera montar. Este ultimo valor se recomienda que no supere en ningun caso el valor maximo de carga de la bateria de acuerdo a las horas de sol en verano. Es decir, dependiendo del lugar, suponiendo unas horas de sol = 6, el valor de la potencia fotovoltaica a instalar deberia ser como mucho obtenido a partir de la siguiente formula:

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Potencia Fotovoltaica = (Energfa batena + Ene^a consumida vivienda en horas sol) / (horas sol)

Si estimamos por ejemplo que durante las horas de sol el consumo medio por hora de la vivienda es igual a 2.000 Wh, para el caso o ejemplo ilustrado anteriormente el valor optimo de la potencia fotovoltaica a instalar deberla haber sido igual a (20.000 + 2.000x6 ) / 6 = 5,33 kW.

No obstante estos valores, en particular la potencia fotovoltaica a instalar, pueden variar sensiblemente en funcion de otros parametros, entre ellos la legislation de autoconsumo y autoproduccion electrica distribuida, que pueden hacer interesantes otros muy diferentes de acuerdo a la retribution economica que se obtenga.

En todo caso, de los calculos realizados, a partir de un valor tlpico de baterla sobrante (20 kWh) y de instalacion de GD fotovoltaica tlpica (5 kW), se concluye que para ese caso, el aprovechamiento es optimo para abastecer las necesidades de la vivienda durante casi todo el dla y al mismo tiempo disponer de una energla sobrante, que para el ejemplo indicado, permitirla recargar la baterla del VE no desmontada, para una autonomla de aproximadamente 35 km (considerando un rendimiento del 92% en descarga de la baterla de casa y otro 92% de rendimiento en carga de la baterla del VE), y todo ello sin utilizar energla de la red electrica, lo que supondrla un ahorro muy importante para el usuario, y utilizando energla limpia, tanto para los usos domesticos como de desplazamiento. Con valores diferentes de baterla y potencia de la instalacion de GD se obtendran resultados distintos, que pueden incluso mejorar y optimizar aun mas este uso polivalente de la baterla del VE.

Por ultimo, la instalacion de otras posibles fuentes de energla alternativas como por ejemplo, la eolica, para los casos de viviendas donde sea interesante, altera de forma significativa los numeros aqul mostrados.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

No se han incluido dibujos en esta memoria por considerar suficiente la description con texto.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

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Para que el modelo de utilidad aqu expuesto pueda llevarse a cabo en la realidad, hay que resolver varias cuestiones, que se enumeran a continuation con la solution a cada uno de ellos.

> VVEE dotados con packs de baterias modulares y con gestion electronica automatica segun el numero de modulos conectados:

Esta realization no tiene mayores problemas de acuerdo al estado actual de la tecnica tanto desde el punto de vista de las baterias como de la electronica que controla el automovil.

Desde el punto de vista de la baterias, su construction y calculos se hacen en base al modelo de condensador electrico, en el que la asociacion de baterias/condensadores en paralelo tiene el siguiente resultado: n baterias en paralelo cada una con una capacidad Ci resultan en una bateria equivalente Cequivalente= sumatoria (Ci).

De hecho es asi como se construyen los packs de baterias de los actuales VVEE pero los mismos estan disenados en bloques unicos. Bastaria por tanto que los bloques fueran modulares, conectados en paralelo entre si, de manera que si se prescinde de uno de ellos se ve reducida la capacidad de energia del total unicamente en la parte proporcional del modulo retirado.

Desde el punto de vista de la electronica que controla la energia almacenada y por consiguiente la autonomia disponible, al tratarse de sistemas software resulta extremadamente sencillo, en otras palabras inmediato, que reconozca a traves de contactos auxiliares los modulos de baterias que estan conectados en cada momento y a partir de ah modificar automaticamente los parametros de energia almacenada y autonomia disponible.

No obstante existe un punto que resulta critica su gestion que es la reconexion al VE de un modulo de baterias que ha sido previamente extraido y que en el momento de su reconexion al VE se encuentra en un nivel de carga diferente al del resto de modulos existentes previamente. Para evitar recirculaciones de energia entre los diferentes modulos de baterias, lo que resultaria muy perjudicial para su vida util, es imprescindible que exista una gestion electronica modular de las baterias conforme a su modularidad fisica. Esta gestion puede enfocarse de dos maneras: a) gestionando cada modulo de baterias como si de una unica bateria se tratase, tanto en la carga como en descarga b) adecuar la gestion del pack reconectado hasta que el mismo se encuentra en el mismo nivel de carga que el resto de modulos. Para ello es necesario gestionar de forma independiente y por separado ambos modulos (el existente y el reconectado) hasta que

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el nivel de carga disponible en cada uno sea el mismo, momento en el que se pueden conectar en paralelo y proceder a una gestion conjunta del total como si de un unico modulo se trate. En realidad esta problematica ya existe (aunque no tan critica) con los packs actuales de baterias, conformados internamente por diversos modulos de baterias compuestos en serie y en paralelo de celulas o baterias mas pequenas, y en las que es imprescindible mantener una homogeneidad en el nivel de carga de forma permanente. Se trataria por tanto de ajustar los sistemas actuales de control electronico sobre el estado de carga y mantenimiento del mismo nivel entre las diversas celulas o packs de baterias que conforman la bateria global, pero adaptado a la problematica que supone la reconexion de un pack que tiene diferente nivel de carga en comparacion con el resto.

> VVEE dotados con packs de baterias modulares desmontables Si bien este asunto ha sido objeto de muchisimos estudios y publicaciones, todas ellas han estado orientadas hacia el desmontaje completo del pack de baterias y su remplazamiento por otras cargadas, como un sistema alternativo a la carga rapida mediante conexion electrica a una toma con la potencia suficiente (electrolineras de carga rapida).

La opcion que aqu se plantea no es mas, por tanto, que una variedad de lo que ya se ha estudiado profundamente en el pasado, pero enfocado a una desconexion parcial del pack de baterias, desmontado uno o varios modulos de acuerdo a la instalacion de autoconsumo que tenga el cliente. En este punto, y relacionado con el anterior, es importante recomendar al cliente que exista una rotacion de uso entre los modulos a desmontar, por ejemplo mensual, para que el desgaste de los mismos en funcion de su uso (almacenamiento de GD o traccion electrica) sea homogeneo, con lo que se favorece el alargamiento de la vida util del conjunto de los modulos que componen el pack de baterias completo.

El diseno concreto de cada VE dependera por tanto del fabricante del VE, pero parece evidente que teniendo en cuenta la tendencia ya consolidada de ubicar las baterias en la parte central e inferior del vehiculo, para dotarlo de la mayor estabilidad posible (reduciendo la altura del centro de gravedad y al mismo tiempo posicionarlo en el centro del vehiculo para una optima distribution de cargas fisicas) y al mismo tiempo optimizar el espacio utilizado por las mismas (baterias), la opcion de retirar o desconectar uno o mas de un modulo de baterias, debe pasar obligatoriamente por gestionar tres puntos clave relacionados con las baterias: accesibilidad, peso y tension electrica.

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Accesibilidad, de manera que exista la forma de acceder al compartimento de baterias mediante una trampilla convenientemente disimulada e integrada en la estetica y funcionalidad del VE, y con control de acceso seguro que impida los no deseados (cerradura electronica o similar, preferentemente accionado desde el interior).

Peso, porque considerando las densidades energeticas actuales medias de las baterias utilizadas en los VVEE, preferentemente de lon-Li, para un modulo de baterias de energia 20 kWh el peso estimado es de 150 kg. El sistema por tanto debe incorporar un elemento interno (tipo sistema de carril con ruedas) que permita al usuario desplazar hacia el exterior de forma sencilla, segura y sin esfuerzo el modulo de baterias. Al mismo tiempo depositarlo en un elemento portante, tambien equipado con ruedas, que le permita desplazarlo a un punto proximo para su conexion al sistema de almacenamiento de la instalacion domestica de GD. Este elemento portante puede ser interior o exterior, y seria del tipo similar a lo que estamos acostumbrados a ver, salvando las distancias, con las camillas de las ambulancias para transportar enfermos.

Tension electrica, porque hay que tener en cuenta que los valores habituales de la tension empleada en la traccion de VVEE oscila entre 300 y 500 Vcc, que obviamente debe impedirse contactos accidentales con los bornes del modulo de baterias retirado. Para ello deben utilizarse conectores del tipo enchufables y en el formato “hembra” que impedira en todo momento que la manipulation del modulo de baterias extraido pueda resultar en un contacto accidental con los bornes en tension. Este tipo de conectores deben ser estandares para garantizar a su vez la facil y segura conexion al sistema de production electrica domestica (GD).

> Sistemas de Generation Distribuida (GD) y autoconsumo compatibles con las baterias electricas de VVEE.

Este punto ya esta resuelto por el estado del arte de la tecnica actual para este tipo de instalaciones. Basta con poner el ejemplo de la bateria Powerwall de Tesla, bateria construida con la misma tecnologia lon-Li que las que usan los VVEE y con un nivel de tension similar (350-450 Vcc), que se usa para este tipo de sistemas de GD y almacenamiento energetico. Los equipos convertidores de Vcc para cargar este tipo de baterias, asi como los inversores para proceder a la entrega de energia en las redes domesticas a la frecuencia industrial de 50 Hz estan comercialmente disponibles desde hace anos.

Es evidente que este modelo de utilidad, de llevarse a la practica, supondra importantes

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ventajas y atractivos, tanto economicos como medioambientales, para todos los agentes implicados:

- Usuarios: porque podran satisfacer sus necesidades de movilidad individual y suministro energetico domestico, aprovechando todo el potencial de las energias renovables, con un equipo dual que le permitira rentabilizar al maximo ambos sistemas.

- Fabricantes de VVEE: porque les permitira, por fin y en el corto plazo, competir de una manera inteligente y decisiva contra la tecnologia convencional de vehiculos de combustion. La polivalencia de uso de las baterias del VE, con una funcionalidad dual, por una parte como movilidad y por otra parte como almacenamiento energetico, es la clave de esta victoria en un plazo inmediato. Mucho antes de que se consigan por los avances tecnologicos, baterias de densidades energeticas mucho mas elevadas que las actuales, y en consecuencia con autonomias equiparables a los vehiculos de combustion, que llegaran pero no el corto ni medio plazo segun todas las previsiones de expertos en la materia.

- Sociedad y Medio Ambiente en general: porque en la lucha contra el cambio climatico, el uso de las energias renovables a escala masiva es la unica forma de reducir el contenido de CO2 en la atmosfera y de compatibilizar nuestra forma de vida con el medio ambiente, esencial para nuestra existencia y de todas las especies que pueblan este planeta, y para ello este modelo de utilidad resultara un impulso decisivo en el uso masivo de la GD y la utilization del VVEE como medio de transporte individual. Lo que implicara a su vez enormes ventajas y transformation de las ciudades, como lugares de convivencia sin humos, sin emisiones, sin contaminacion y sin ruidos.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   1. Vehlcuio electrico (coche) equipado con un conjunto de baterlas modular extralble parcialmente, caracterizado por disponer de un conjunto total de baterlas 5 compuesto de dos o mas modulos independientes de baterlas conectadas electricamente en paralelo, a la tension nominal interna del vehlculo, que se puedan desconectar/reconectar (=extraer/insertar) de acuerdo a las necesidades de autonomla de desplazamiento del usuario. El vehlculo dispondra de dos autonomlas electricas diferentes, una completa o extendida, correspondiente al total del conjunto de baterlas 10 conectadas y otra reducida, correspondiente al modulo de baterlas que permanecen en el vehlculo una vez se han desconectado y retirado el resto de modulos para otro uso distinto al de traccion (almacenamiento energetico).

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