ES1265374U - Equipo de carga móvil para vehículos con accionamiento eléctrico - Google Patents

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Abstract

Equipo de carga móvil para vehículos con accionamiento eléctrico, caracterizado porque comprende: una unidad de control (1), una unidad de combustible (2) con al menos una célula (5) de combustible de hidrógeno, una entrada (7) de CC/CC y una salida (6) de CC/CC, una unidad de carga (3) con al menos una entrada de CC/CC (8) y una salida de carga (9), y una fuente (4) de abastecimiento auxiliar, alimentando la fuente (4) de abastecimiento auxiliar la unidad de control (1), la unidad de combustible (2) a través de la entrada (7) de CC/CC y la unidad de carga (3) a través de la entrada (8) de CC/CC, estando conectada la salida (6) de CC/CC de la unidad de combustible (2) adicionalmente con la entrada de CC/CC (8) de la unidad de carga (3), que proporciona la conexión con el vehículo que debe cargarse a través de la salida (9) de carga, estando conectada la unidad de control (1) con la unidad de combustible (2) y la unidad de carga (3) y regulando la corriente y la tensión en el equipo.

Description

DESCRIPCIÓN
Equipo de carga móvil para vehículos con accionamiento eléctrico
Sector de la técnica
La invención se refiere a equipos de carga para vehículos con accionamiento eléctrico o híbrido.
Estado de la técnica
Los vehículos que usan accionamiento eléctrico están equipados con un motor de accionamiento, un módulo de potencia (transformador) y una batería de tracción como acumulador de energía. La energía eléctrica fluye en forma de corriente continua desde la batería hasta el módulo de potencia, que regula la evolución de la tensión y de la corriente en la salida al motor. La energía eléctrica así regulada se transforma en el motor en energía mecánica.
Esta técnica requiere la carga de la batería de tracción. La carga tiene lugar por regla general poniendo el vehículo eléctrico junto a la estación de carga, realizada habitualmente como equipo de pared o de columna para la carga con CA o CC. Tras la carga de la energía puede continuarse con la marcha hasta que se gaste la energía eléctrica. Es decir, durante el funcionamiento del vehículo tiene que haber siempre una reserva de energía suficiente para problemas inesperados. Si se gastase la energía, el vehículo no puede continuar la marcha y tiene que remolcarse hasta la siguiente estación de carga, donde se carga. Las soluciones conocidas actualmente son:
a) Equipo en forma de una batería móvil: en el vehículo/remolque se encuentra una batería (por regla general una batería de litio), que se carga en una estación de carga estacionaria y después se lleva hasta el vehículo que no puede continuar la marcha, que debe cargarse y llevarse de nuevo a un estado listo para el funcionamiento. El tiempo necesario para la carga de la batería móvil asciende a algunas horas y la carga del vehículo eléctrico que no puede continuar la marcha requiere un tiempo adicional. Resulta desventajosa la reducida densidad de energía por unidad de masa, que está almacenada en la mayoría de los casos en baterías de litio. Esta masa también tiene que transportarse en el caso de una batería móvil vacía.
b) Equipo en forma de “ampliador de autonomía”: la instalación está en forma de un remolque, sobre el que está montada la batería. La instalación puede engancharse al vehículo con accionamiento eléctrico y ampliar así la capacidad de la batería, con lo que se prolonga la autonomía del vehículo eléctrico. Resulta desventajosa la necesidad de arrastrar también el remolque, lo que requiere un vehículo preparado técnicamente con acoplamiento para remolque. También resulta desventajoso el gasto de la energía para arrastrar el propio remolque.
c) Equipo en forma “EV a EV”: un equipo que posibilita la carga de un vehículo desde la batería de tracción de otro vehículo mediante la conexión directa a través de un cable. La desventaja de esta solución radica en la necesidad de un dispositivo especial en la red de a bordo del vehículo, que posibilite la transmisión de la energía desde la batería de tracción al otro vehículo, dado que la energía en el vehículo eléctrico fluye por defecto hacia dentro. Una desventaja adicional radica en la reducida cantidad de energía transmitida (ambos vehículos se dividen la energía en una batería), para que puedan llegar a la siguiente estación de carga.
En la solicitud de patente china CN103707795A se describe un vehículo de carga móvil basado en el equipo de una célula de combustible de metanol reformada, que comprende un depósito de metanol, un depósito de hidrógeno, un reformador, un sensor de presión, una propia célula de combustible de metanol reformada, una fuente de corriente continua (CC) y de corriente alterna (CA), una batería auxiliar y un aparato de control. La salida de la célula de combustión la forma la salida de CC. La reacción de la célula de combustible de metanol reformada produce CO2 y H2O y la verdadera célula de combustible tiene generalmente una menor eficacia que las células de combustible de hidrógeno. Esta solución requiere además una mayor temperatura de funcionamiento (aproximadamente 100°C) y dos tipos de depósito, uno para metanol y otro para hidrógeno, lo que aumenta la laboriosidad de la solución con respecto al volumen, así como al enfriamiento.
En el modelo de utilidad chino CN201371765Y se describe la solución de un vehículo/remolque de carga móvil, concretamente la disposición de componentes individuales (unidad de carga, generador, elementos de sujeción) sobre el tren de rodaje del vehículo/remolque. Ni la unidad de carga ni el generador de energía se describen más detalladamente.
En la solicitud de patente coreana KR20120095141A se describe una unidad de carga móvil para la carga de un vehículo con accionamiento eléctrico. La unidad de carga confiere dos posibilidades de carga, una carga rápida con un aparato de carga rápida y una carga completa con aparato de carga convencional, y comprende además varios cables de carga para la carga de varios vehículos al mismo tiempo. Como fuente de energía para la unidad de carga puede usarse una fuente de energía externa autónoma o un equipo generador de energía autónomo. Sin embargo, en el documento no se describen más detalladamente estas fuentes de energía.
En la patente americana US8963481B2 se describen vehículos de carga de servicio y los tipos de uso de las baterías modulares. Este vehículo de servicio está equipado con algunas baterías desmontables, que sirven para cargar vehículos eléctricos fuera de las estaciones de carga. La invención describe la carga en primer lugar desde una batería con el menor nivel de energía, solo después la conmutación a la carga desde una batería con un mayor nivel de energía. Resulta desventajoso que estas baterías también tienen que cargarse en alguna parte y llevarse hasta los vehículos eléctricos que deben cargarse, lo que duplica el tiempo de carga de la batería.
La solicitud de patente internacional WO2011/031916A2 describe un remolque de carga para enganchar detrás el vehículo con accionamiento eléctrico, portando este remolque un depósito de combustible, un generador de energía y un equipo de accionamiento autónomo del remolque con un sensor de la carga del vehículo con accionamiento eléctrico. Pueden ser depósito de combustible y generador de energía, entre otros, también un depósito de hidrógeno y una célula de combustión de hidrógeno. Durante la descarga de la batería del vehículo puede usarse el remolque acoplado para cargar la batería. Las desventajas de los remolques de carga ya se han mencionado anteriormente y comprenden el equipamiento técnico del vehículo para un remolque (acoplamiento para remolque) y el coste energético para el arrastre/accionamiento del propio remolque.
Breve explicación de la invención
El objeto de la invención es la reacción al estado de la técnica hasta la fecha, que limita el peso de la batería (fuente de energía) que debe transportarse en el estado completamente cargado, así como en el descargado, además de la necesidad de la carga en una estación de carga, que está dispuesta en el abastecimiento de energía estacionario.
Las desventajas mencionadas anteriormente del estado de la técnica se eliminan mediante el equipo de carga móvil para vehículos con accionamiento eléctrico que representa el objeto de la invención, que comprende una unidad de control, una unidad de combustible con al menos una célula de combustible de hidrógeno, una entrada de CC/CC y salida de CC/CC, una unidad de carga con al menos una entrada de CC/CC y una salida de carga y una fuente de abastecimiento auxiliar. La fuente de abastecimiento auxiliar alimenta la unidad de control, la unidad de combustible a través de la entrada de CC/CC y la unidad de carga a través de la entrada de CC/CC, concretamente durante la operación de arranque y en el modo de funcionamiento límite del equipo. La salida de CC/CC de la unidad de combustible está conectada adicionalmente con la entrada de CC/CC de la unidad de carga, que garantiza la conexión con el vehículo que debe cargarse por medio de la salida de carga. Además, la unidad de control está conectada con la unidad de combustible y la unidad de carga y regula la corriente y la tensión en el equipo. La célula de combustible obtiene la energía de la reacción del oxígeno con el hidrógeno, generándose un vapor de agua residual, de modo que el equipo no es contaminante.
La unidad de combustible comprende preferiblemente los depósitos a presión de hidrógeno, una bomba de circulación de hidrógeno, al menos una célula de combustible, un compresor para el suministro de aire a presión, un equipo de enfriamiento para la célula de combustible, una bomba de circulación del equipo de enfriamiento, una salida de CC/CC y un equipo de alimentación de la unidad de combustible con una entrada de CC/CC. El hidrógeno puede comprimirse, por ejemplo, a 350 bar. Como depósito a presión de hidrógeno pueden servir las botellas a presión con accesorio de funcionamiento y de seguridad (ventilación, válvulas de sobrepresión). El hidrógeno se suministra adicionalmente a través de un filtro a la célula de combustible, que transforma la energía química en energía eléctrica con una eficacia de aproximadamente el 50%. La célula de combustible se enfría con un equipo de enfriamiento (como medio agua u otro medio de enfriamiento) y el suministro de oxígeno se proporciona en forma del aire a presión generado por el compresor. Todo el funcionamiento de la célula de combustible lo regula la unidad de control. La célula de combustible se alimenta antes y durante la operación de arranque mediante la fuente de abastecimiento auxiliar a través de la entrada de CC/CC de la célula de combustible y la salida de la célula de combustible está conectada directamente o por medio de la salida de CC/CC a la unidad de carga.
La unidad de carga comprende preferiblemente una entrada de CC/CC y presenta una salida de carga con el estándar CHAdeMO, SAE-J1772 y/o CCS Combo para la conexión de la batería del vehículo que debe cargarse.
El presente equipo de carga móvil puede integrarse ventajosamente en el vehículo de carga con accionamiento eléctrico o híbrido y conectarse adicionalmente a través del contactor con su batería de tracción (en la función de la fuente de abastecimiento auxiliar), con el módulo de potencia en la función de un transformador de CC/CC y con el motor eléctrico, estando conectada la unidad de control igualmente con el contactor y la batería de tracción. Para la carga de la batería del vehículo que debe cargarse puede usarse una unidad de combustible en combinación con la batería de tracción del vehículo de carga. La batería de tracción del vehículo de carga puede usarse para cargar la batería del vehículo que debe cargarse en la fase inicial, tras lo cual se inicia la carga por medio de la unidad de combustible y se interrumpe la carga por medio de la batería de tracción. Además, la unidad de combustible puede cargar la batería de tracción del vehículo de carga, así como la batería del vehículo que debe cargarse. En el caso de una integración del equipo de carga, el equipo de enfriamiento de la célula de combustible puede integrarse en el equipo de enfriamiento del vehículo de carga. El equipo de carga también puede integrarse en un dron y/o una embarcación.
La ventaja de la presente invención la proporciona el alto valor relativo de la cantidad de energía almacenada en el hidrógeno con respecto a la unidad de masa de dicho equipo. Cuanto mayor es la reserva de hidrógeno, mayor es este valor relativo, manteniéndose constante la masa de los demás componentes excepto las botellas a presión. Comparativamente, en un kg de una batería de litio pueden almacenarse aproximadamente 1/13 kWh (LiFePo). 1 kg de H2 contiene un calor de combustión de 33 kWh y a presión atmosférica comprende 11 m3.
Una instalación a modo de ejemplo del equipo en un turismo comprende el desmontaje de los asientos traseros, de la bandeja extensible del maletero, del revestimiento y de componentes adicionales innecesarios. Las botellas a presión están montadas en el maletero y alcanzan la zona de los asientos traseros, el espacio por debajo y por encima de las botellas a presión está ocupado con pequeñas unidades del equipo (salida de CC/CC, unidad de carga, compresor, etc.). El vehículo de carga puede desplazarse a demanda a donde sea necesario. La energía contenida en este equipo de carga (por ejemplo, más de 200 kWh) puede cargar toda la batería del vehículo eléctrico que debe cargarse. La carga puede tener lugar, por ejemplo, en un área de descanso de una autovía o un aparcamiento, aparcando los dos vehículos uno al lado del otro y sacando del vehículo de carga el cable y conectándolo al vehículo que debe cargarse. Tras finalizar la carga, un vehículo adicional puede conducirse hasta otro lugar, etc., hasta el agotamiento de la reserva de hidrógeno en la unidad de combustible. Con la energía contenida en 10 kg de H2 pueden cargarse aproximadamente 5 vehículos con la capacidad de batería disponible habitualmente hoy en día.
Descripción de los dibujos
La invención se explica más detalladamente mediante dibujos, en los que:
• La figura 1 representa esquemáticamente la disposición del equipo de carga móvil en la realización más sencilla con una fuente de abastecimiento auxiliar.
• La figura 2 representa esquemáticamente la disposición del equipo de carga móvil, incluyendo la integración en la infraestructura existente del vehículo de carga (vehículo eléctrico o híbrido).
Modos de realización de la invención
Ejemplo 1: Realización básica de un equipo de carga móvil
El equipo de carga móvil está compuesto por una unidad de control 1, una unidad de combustible 2 de combustible, una unidad de carga 3 y una fuente 4 de abastecimiento auxiliar. La fuente 4 de abastecimiento auxiliar sirve como fuente de energía para la unidad de control 1, para la unidad de combustible 2 a través de la entrada 7 de CC/CC y para la unidad de carga 3 a través de la entrada de CC/CC 8 concretamente durante la operación de arranque y en el modo de funcionamiento límite del equipo. La fuente 4 de abastecimiento auxiliar se usa ventajosamente también para la alimentación en el caso de potencias de la unidad de combustible 2 por debajo del 10 al 15%, dado que tales potencias bajas reducen la vida útil de la célula 5 de combustible. La unidad de control 1 conecta y regula la marcha de todas las unidades adicionales, es decir de la unidad de combustible 2 y de la unidad de carga 3. La unidad de combustible 2 comprende el depósito a presión de hidrógeno, la bomba de recirculación de hidrógeno, al menos una célula 5 de combustible de hidrógeno, un compresor para el suministro de aire a presión, un equipo de enfriamiento para la célula de combustible, una bomba de circulación del equipo de enfriamiento, una salida 6 de CC/CC y el equipo de alimentación de la unidad de combustible con la entrada 7 de CC/CC. En la salida de la célula de combustible hay una salida 6 de CC/CC y la verdadera célula de combustible se alimenta a través de la entrada 7 de CC/CC. La potencia de la célula de combustible puede ascender, por ejemplo, a 30 kW y la alimentación tiene lugar con una tensión de 24 V. La unidad de combustible 2 se comunica eléctricamente con la unidad de carga 3, por ejemplo, a través de una conexión eléctrica con una tensión de 398 V. La unidad de carga 3 comprende una entrada de CC/CC 8 y presenta una salida de carga 9 con el estándar CHAdeMO, SAE-J1772 y/o CCS Combo para la conexión de la batería del vehículo que debe cargarse (potencia de la unidad de carga 3, por ejemplo, 25 kW). La carga tiene lugar mediante la conexión del cable del vehículo de carga a través de la salida de carga 9 al vehículo que debe cargarse.
Ejemplo 2 : Vehículo de carga con accionamiento eléctrico o híbrido equipado con un equipo de carga móvil
La infraestructura de vehículo existente comprende una batería 11 de tracción, un módulo 12 de potencia (transformador CC/CC) y un motor 13 de accionamiento (motor eléctrico). A través del contactor 10, estos componentes están conectados con el equipo de carga móvil y la batería 11 de tracción cumple en este caso la función de una fuente 4 de abastecimiento auxiliar. El equipo de carga móvil está compuesto por una unidad de control 1, una unidad de combustible 2 y una unidad de carga 3. La unidad de control 1 conecta y regula la marcha de todas las unidades adicionales, es decir de la unidad de combustible 2, de la unidad de carga 3, del contactor 10 y de la batería 11 de tracción. La unidad de combustible 2 comprende el depósito a presión de hidrógeno, la bomba de recirculación de hidrógeno, al menos una célula 5 de combustible de hidrógeno, un compresor para el suministro de aire a presión, un equipo de enfriamiento para la célula de combustible, una bomba de circulación del equipo de enfriamiento, una salida 6 de CC/CC y el equipo de alimentación de la unidad de combustible con la entrada 7 de CC/CC. En la salida de la célula de combustible hay una salida 6 de CC/CC y la verdadera célula de combustible se alimenta a través de la entrada 7 de CC/CC. La potencia de la célula 5 de combustible puede ascender, por ejemplo, a 30 kW y la alimentación tiene lugar con una tensión de 24 V. La unidad de combustible 2 se comunica eléctricamente con la unidad de carga 3 así como el contactor 10, por ejemplo, a través de una conexión eléctrica con una tensión de 398 V. La unidad de carga 3 comprende una entrada de CC/CC 8 y presenta una salida de carga 9 con el estándar CHAdeMO, SAE-J1772 y/o CCS Combo para la conexión de la batería del vehículo que debe cargarse (potencia de la unidad de carga 3, por ejemplo, 25 kW). La unidad de carga 3 se comunica igualmente a través del contactor 10 con la infraestructura de vehículo existente. La carga tiene lugar mediante la conexión del cable del vehículo de carga a través de la salida de carga 9 al vehículo que debe cargarse.
Ejemplo 3: Carga con un equipo de carga móvil integrado en el vehículo con accionamiento eléctrico o híbrido
Tras la parada del vehículo de carga, la fuente 4 de abastecimiento auxiliar o la batería 11 de tracción está conectada a la unidad de control 1, que proporciona la comunicación de la unidad de carga 3 con el vehículo que debe cargarse. Tras poner al lado el vehículo que debe cargarse (vehículo eléctrico, híbrido) se inicia la fase inicial de la carga. La unidad 3 de carga empieza a comunicarse a través de relaciones de tensión y de corriente, que deben emplearse para la batería que debe cargarse. Mientras tanto se establece la conexión eléctrica entre la batería 11 de tracción y la unidad de carga 3 del vehículo de carga y puede absorberse la carga con la potencia máxima disponible en la batería 11 de tracción, aproximadamente 50 kW. Adicionalmente, para el abastecimiento de energía se arranca la célula 5 de combustible. Tras la aceleración de la célula 5 de combustible hasta dicha potencia (50 kW) se finaliza la carga desde la batería 11 de tracción y empieza la carga desde la célula 5 de combustible, que asume el papel de fuente de energía. El exceso de potencia de la célula 5 de combustible se desvía a la batería 11 de tracción del vehículo de carga, para que esta se cargue igualmente. Durante la carga del vehículo que debe cargarse, con la carga sucesiva de la batería, disminuye la potencia (corriente) necesaria y correspondientemente se regula también la potencia de la célula 5 de combustible. En cuanto se alcanza la potencia mínima de la célula 5 de combustible (del 10 al 15%), la batería 11 de tracción del vehículo de carga asume de nuevo el papel de fuente de energía y se carga el vehículo que debe cargarse hasta el 100%.
Aplicabilidad industrial
Esta solución puede usarse para la carga de los vehículos con accionamiento eléctrico fuera de las estaciones de carga, en particular en el caso de descarga completa y la incapacidad de marcha resultante del vehículo eléctrico. La energía en forma de hidrógeno puede llevarse hasta el vehículo que no puede continuar la marcha con otro vehículo, embarcación o por vía aérea (dron).
Lista de números de referencia
1 unidad de control
2 unidad de combustible
3 unidad de carga
4 fuente de abastecimiento auxiliar
5 célula de combustible
6 salida de CC/CC de la unidad de combustible
entrada de CC/CC de la unidad de combustible entrada de CC/CC de la unidad de carga salida de carga de la unidad de carga contactor
batería de tracción
módulo de potencia
motor de accionamiento

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Equipo de carga móvil para vehículos con accionamiento eléctrico, caracterizado porque comprende:
    una unidad de control (1),
    una unidad de combustible (2) con al menos una célula (5) de combustible de hidrógeno, una entrada (7) de CC/CC y una salida (6) de CC/CC,
    una unidad de carga (3) con al menos una entrada de CC/CC (8) y una salida de carga (9), y una fuente (4) de abastecimiento auxiliar,
    alimentando la fuente (4) de abastecimiento auxiliar la unidad de control (1), la unidad de combustible (2) a través de la entrada (7) de CC/CC y la unidad de carga (3) a través de la entrada (8) de CC/CC, estando conectada la salida (6) de CC/CC de la unidad de combustible (2) adicionalmente con la entrada de CC/CC (8) de la unidad de carga (3), que proporciona la conexión con el vehículo que debe cargarse a través de la salida (9) de carga, estando conectada la unidad de control (1) con la unidad de combustible (2) y la unidad de carga (3) y regulando la corriente y la tensión en el equipo.
    2- Equipo de carga móvil según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de combustible (2) comprende el depósito a presión de hidrógeno, una bomba de recirculación de hidrógeno, al menos una célula (5) de combustible de hidrógeno, un compresor para el suministro de aire a presión, un equipo de enfriamiento para la célula de combustible, una bomba de circulación del equipo de enfriamiento, una salida (6) de CC/CC y un equipo de alimentación de la unidad de combustible con entrada (7) de CC/CC.
    3- Equipo de carga móvil según la reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de carga comprende una entrada de CC/CC (8) y presenta una salida de carga (9) con el estándar CHAdeMO, SAE-J1772 y/o CCS Combo para la conexión de la batería del vehículo que debe cargarse.
    4- Equipo de carga móvil según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está integrado en el vehículo de carga con accionamiento eléctrico o híbrido y está conectado adicionalmente a través del contactor (10) con la fuente (4) de abastecimiento auxiliar en forma de una batería (11) de tracción del vehículo de carga y además con el módulo (12) de potencia con la función del transformador CC/CC y con el motor (13) eléctrico, estando conectada la unidad de control (1) con el contactor (10) y la batería (11) de tracción.
    5- Equipo de carga móvil según la reivindicación 4, caracterizado porque está configurado para que, para la carga de la batería del vehículo que debe cargarse, se use la unidad de combustible (2) en combinación con la batería (11) de tracción del vehículo de carga.
    6- Equipo de carga móvil según la reivindicación 5, caracterizado porque está configurado para que se use la batería (11) de tracción del vehículo de carga para la carga de la batería del vehículo que debe cargarse en la fase inicial, tras lo cual se inicia la carga por medio de la unidad de combustible (2) y se interrumpe la carga por medio de la batería (11) de tracción.
    7- Equipo de carga móvil según la reivindicación 6, caracterizado porque la unidad de combustible (2) carga la batería (11) de tracción del vehículo de carga, así como la batería del vehículo que debe cargarse.
    8- Equipo de carga móvil según la reivindicación 4, caracterizado porque el equipo de enfriamiento para la célula (5) de combustible está integrado en el equipo de enfriamiento del vehículo de carga.
    9- Equipo de carga móvil según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que está integrado en un dron y/o en una embarcación.
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