ES2405006A1 - Unidad de batería compacta - Google Patents

Abstract

Unidad de batería compacta, compuesta por una pluralidad de celdas (2), dispositivo electrónico de control, de protección eléctrica y seguridad, y de conexión/desconexión, todos confinados dentro de una caja (3) externa que los engloba de manera compacta, estando las celdas (2) alojadas por grupos en el interior de carcasas (7) internas y extraíbles, quedando separadas entre sí físicamente. La caja (3) y las carcasas (7) son material ignífugo, autoextinguibles y aislantes eléctricamente. La caja (3) es hermética y posee un compartimiento (11) independiente cilíndrico y hermético, para contener algunos elementos electromecánicos, para mantenerlos en aire a presión atmosférica. Todos los elementos contenidos en la caja (3) están sumergidos en un fluido dieléctrico (12). Bajo una tapa (10) se sitúan de modo accesible las conexiones de las celdas (2), de la electrónica de control y del compartimento estanco.

Description

UNIDAD DE BATERíA COMPACTA

OBJETO DE LA INVENCiÓN

La invención, tal como expresa el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a una unidad de batería compacta, la cual aporta, a la función a que se destina, varias ventajas e innovadoras características, que se describirán en detalle más adelante y que suponen una destacable novedad frente a lo ya conocido en su campo de aplicación.

Concretamente, el objeto de la invención se centra en una batería recargable que, siendo del tipo que comprende una pluralidad de celdas o células de batería, particularmente de litio pero sin que ello suponga una limitación, entre otras características presenta la particularidad de estar configurada de modo que, tanto dichas celdas como los dispositivos electrónico de control, de protección y de conexión/desconexión con que cuenta, se hallan dispuestos dentro de una caja, que constituye un contenedor compacto, constituyendo una unidad modular, es decir, que posibilita su configuración modular uniéndose a otras para alimentar un sistema, y donde, además, las citadas celdas se hallan incorporadas en el interior de dicha caja formando grupos que van alojados en carcasas que ofrecen aislamiento eléctrico y térmico y las protegen mecánicamente constituyendo módulos independientes entre sí.

CAMPO DE APLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

El campo de aplicación de la presente invención se enmarca dentro del sector de la industria dedicada a la fabricación de baterías, centrándose principalmente en las baterías recargables conformadas a base de celdas de polímero de ion de litio, aplicables normalmente en el ámbito de la alimentación eléctrica de vehículos eléctricos u otros aparatos, mecanismos o sistemas similares.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

Como es sabido, las baterías de polímero de ion de litio son, actualmente, el tipo de batería que ofrece una mayor densidad energética, tanto en términos de peso como de volumen. Esto hace que, en la gran mayoría de los casos, su uso en vehículos eléctricos sea la mejor opción, si se valoran los parámetros de peso, autonomía y capacidad de descarga.

Sin embargo, las baterías de polímero de ion de litio, dada su densidad energética, son potencialmente peligrosas, especialmente si no se hace un uso y mantenimiento debido.

Por ello, es especialmente importante tener este tipo de baterías dentro de ciertos parámetros de funcionamiento, especialmente durante los procesos de carga y descarga.

Así, dada su potencial peligrosidad, con riesgo de incendio y de explosión, es importante que la solución constructiva del modulo así como los diferentes elementos de seguridad pasiva que contenga contribuyan a reducir, en la medida de lo posible, las consecuencias que produciría un aumento excesivo de la temperatura de una célula o grupo de éstas, ya que ello puede llevar incluso a su inflamación o explosión.

Sería deseable, pues dotar al mercado de un sistema de batería que permita tener en un mismo contenedor todos los elementos que aseguran el buen funcionamiento de la batería y que, a la vez, permita desconectar la batería de la carga eléctrica en caso necesario, aumentado su seguridad y modularidad.

Como referencia al estado actual de la técnica, cabe señalar que se conocen diferentes tipos de baterías del tipo que aquí concierne, y que se han encontrado algunas patentes relativas a las mismas, entre las que cabría mencionar, como más cercana, la patente de invención internacional W02011156345A 1, donde se divulga un método que aporta soluciones de aislamiento a las celdas o grupos de celdas para protegerlas del fuego y evitar su propagación hacia el exterior.

Sin embargo, no se ha observado que dicha patente, ni ninguna otra de las encontradas, tomadas por separado o en combinación, describa la batería compacta de la presente invención, según se reivindica.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

Así, la unidad de batería compacta que la invención propone se configura como una destacable novedad dentro de su campo de aplicación, ya que a tenor de su implementación y de manera taxativa, se alcanzan los objetivos anteriormente señalados como idóneos, estando los detalles caracterizadores que lo hacen posible y que la distinguen de lo ya conocido, convenientemente recogidos en las reivindicaciones finales que acompañan a la presente descripción de la misma.

De modo concreto, la batería que la invención preconiza es una unidad modular y compacta que permite contener, monitorizar y proteger térmica, eléctrica y mecánicamente los grupos de celdas que la componen.

Además, constituye un sistema compacto y estanco con capacidad para trabajar tanto a presión externa como en ambientes hostiles (agua, humedad, salinidad, polvo...) incluso sumergida en agua a grandes profundidades.

Para todo ello, la batería está constituida por una pluralidad de celdas de batería, preferentemente de polímero de ion de litio pero sin que sea una limitación, que constituyen el elemento mínimo de energía y que se disponen por grupos dentro de un contenedor; contando, además, con un dispositivo electrónico de control, constituido por un sistema electrónico de monitorización, habitualmente denominado BMS (Batfery Management Sysfem) y que esencialmente consiste en un sistema de gestión para baterías recargables que controla su estado; un dispositivo de protección eléctrica y seguridad, que básicamente comprende unos fusibles que actúan como elemento de protección eléctrica de desconexión automática, y un dispositivo de conexión/desconexión, formado, esencialmente, por cableado y contactores.

Pues bien, a partir de dicha configuración ya conocida, la unidad de batería modular y compacta presenta, como característica innovadora y esencial, el hecho de que el contenedor de la misma lo constituye una caja que engloba de una manera compacta tanto las celdas como los citados dispositivos de control, de protección y de conexión/desconexión.

Siguiendo con las particularidades de la invención, cabe destacar asimismo que, dentro de la citada caja, las celdas se han separado formando grupos de varias celdas, grupos que, a su vez y de manera caracterizadora, se disponen alojados en el interior de unas carcasas interiores, de modo que quedan protegidas entre sí eléctrica y físicamente, permitiendo segmentar la energía total de la unidad. Cada una de dichas carcasas en las que se alojan los grupos de celdas, así como la caja externa, está fabricada en materiales ignífugos, autoextinguibles y no conductores eléctricos, preferentemente, un compuesto de fibra de basalto con resina autoextinguible, realizando también funciones de aislamiento térmico.

Además, entre los grupos de celdas y dicha carcasa se ha previsto un elemento protector con alta resistencia a la temperatura y de tipo autoextinguible, lo cual hace aumentar la protección mecánica y térmica de los grupos de celdas.

Del mismo modo, todas las conexiones eléctricas susceptibles de provocar cortocircuitos están aisladas físicamente.

Por otra parte, las descritas carcasas contenedoras de los grupos de celdas están inmovilizadas dentro de la caja de la unidad, evitando cualquier posible desplazamiento de las mismas, independientemente de la posición en que se coloque la unidad de batería, lo cual permite ventajosamente su utilización y funcionamiento en cualquier posición.

Es importante destacar que dicha inmovilización de las carcasas se lleva a cabo mediante encaje de los propios elementos y no se utilizan tornillos ni otros sistemas de sujeción mecánicos. De este modo se evita la presencia de piezas susceptibles de desprenderse y que, una vez libres, podrían producir cortocircuitos o deterioro en alguno de los elementos de la unidad de batería.

Por otra parte, la disposición de los elementos que comprende la unidad es tal que todas las conexiones eléctricas y la electrónica de control son fácilmente inspeccionables y accesibles simplemente sacando una tapa practicable prevista en la caja de la unidad, a excepción de ciertos componentes electromecánicos, tal como los fusibles del dispositivo de protección y parte del dispositivo de conexión/desconexión, que se encuentran confinados en el interior de un receptáculo o compartimiento independiente previsto a tal efecto en la caja.

Dicho compartimiento consiste en un cilindro hermético resistente a la presión exterior.

Por su parte, la citada tapa, es preferiblemente transparente para facilitar la citada visión de la mayoría de conexiones eléctricas y electrónica de control, si bien ello no supone una limitación.

En cualquier caso, los elementos que componen la unidad, especialmente las carcasas con los grupos de celdas, son fácilmente desmontables, ya que como se ha dicho están fijados mediante un sistema de encaje, de manera que se pueden sustituir durante la vida útil de la batería.

Por último, es importante destacar que todos los elementos contenidos en el interior de la caja de la unidad, es decir, las celdas, las carcasas que las agrupan y todos los dispositivos electrónicos de control, de protección y de conexión/desconexión, a excepción de los contenidos en el descrito compartimiento cilíndrico, están completamente sumergidos en un fluido dieléctrico de alta conductividad térmica, resistente a la ignición y autoextinguible, por ejemplo un aceite de tipo éster sintético. La finalidad de dicho fluido es disipar la mayor energía térmica posible, reduciendo así el riesgo de un aumento excesivo de la temperatura y evitar la propagación de un eventual fuego. Lógicamente, para contener dicho fluido sin que existan fugas, la caja es totalmente hermética y dispone de una válvula de alivio para evitar que un eventual aumento de la presión interna la pudiese hacer explotar.

La unidad de batería se configura, pues, como una batería de alta densidad energética, con elevada ratio energía/peso y energía/volumen y que ofrece la mejor relación entre densidad energética, compacidad, seguridad y robustez. Densidad, energética, porque, como se ha señalado, proporciona una elevada relación entre la capacidad de almacenamiento de energía y su peso y volumen; compacta, porque contiene todos los elementos necesarios para su funcionamiento y control en un solo receptáculo; segura, porque contiene elementos de control y seguridad y por la tipología de los materiales con que está hecha (ignífugos, autoextinguibles, y de alta resistencia mecánica ya impactos); y robusta, porque es tolerante a la presión externa, incluso sumergida en agua marina a gran profundidad y puede trabajar en ambientes hostiles, es segura contra cortocircuitos, fuego y contra agentes externos pues también es hermética.

Además de lo anteriormente expuesto, la unidad de batería de la invención, al contener en un mismo contenedor todos los elementos que aseguran el buen funcionamiento de la batería y que permiten aislar la batería de la carga eléctrica en caso necesario, aportan modularidad a la misma, lo cual proporciona las siguientes ventajas:

-

Da gran flexibilidad de uso, dado que se puede conformar un sistema con tantas unidades independientes como se desee, permitiendo sacar o sustituir cada una de ellas libremente, sin que ello afecte a las otras o al sistema que alimentan.

-

Por la misma razón, también simplifica el mantenimiento y la operatividad del sistema que alimentan.

-

Garantiza que los parámetros de funcionamiento de las celdas, de los grupos de celdas y del la unidad en conjunto estén dentro de los rangos preestablecidos en todo momento, aislando la batería de la carga eléctrica de manera automática, en caso de que alguno de los parámetros no esté dentro del rango preestablecido.

-

Reduce las consecuencias de deterioro o mal funcionamiento de una celda o grupo de celdas.

-

En condiciones normales de operación, puede trabajar a distintas presiones externas, ya que trabaja con presión compensada (la misma presión en el interior y en el exterior de la caja) y todos los elementos contenidos en su interior son resistentes a la presión o están alojados en recipientes que lo son, por lo que resultaría especialmente apta, por ejemplo, para ser aplicable en la alimentación de submarinos eléctricos.

La descrita unidad de batería compacta representa, pues, una estructura innovadora de características estructurales y constitutivas desconocidas hasta ahora para el fin a que se destina, razones que unidas a su utilidad práctica, la dotan de fundamento suficiente para obtener el privilegio de exclusividad que se solicita.

DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

La figura número 1.-Muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de realización de la unidad de batería compacta, objeto de la invención, apreciándose su configuración general externa;

La figura número 2.-Muestra también en perspectiva la unidad de batería compacta, según la invención, representada sin la caja externa, permitiendo observar las principales partes y elementos que comprende interiormente así como la configuración y disposición de dichas partes y elementos;

La figura número 3.-Es una vista en perspectiva de una de las carcasas en las que se alojan los grupos de celdas de la batería de la invención, apreciándose un ejemplo de realización preferido de la misma; y

La figura número 4.-Muestra esquemáticamente y en sección, según un corte horizontal, de la unidad de batería de la invención, apreciándose en ella, tanto la configuración de la caja, la disposición de los grupos de celdas en carcasas y la disposición del receptáculo cilíndrico, así como la incorporación del fluido dieléctrico.

REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN

A la vista de las mencionadas figuras, y de acuerdo con la numeración adoptada, se puede apreciar en ellas un ejemplo de realización preferido pero no limitativo de la unidad de batería objeto de la invención, la cual comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a continuación.

Así, tal como se observa en las figuras 1 y 2, la unidad de batería (1) en cuestión se configura a partir de una pluralidad de celdas (2) de batería (de litio u otro material), que se disponen en grupos dentro de una caja (3) externa, estando conectadas a dispositivos electrónicos de control, sistemas electrónicos de monitorización, dispositivos de protección eléctrica y seguridad, para desconexión automática, y dispositivos de conexión/desconexión voluntaria, de cableado (5) y conectores (6), y donde dicha caja (3), elaborada preferentemente de un compuesto de fibra de basalto con resina, engloba de una manera compacta y hermética tanto las celdas como los citados dispositivos.

Además, dentro de la caja (3), los grupos de celdas (2) se disponen alojados en el interior de carcasas (7) internas, tal como muestra la figura 3, provistas de terminales (8) para conectar con los diferentes dispositivos de conexión y control, de modo tal que cada uno de dichos grupos quedan separados entre sí físicamente, formando elementos independientes que permiten segmentar la energía total de la unidad.

Estas carcasas (7) son extraíbles y también están fabricadas en material ignífugo, son autoextinguibles y aislantes eléctricamente, preferentemente, consistente el citado compuesto de fibra de basalto con resina.

Asimismo, entre los grupos de celdas y la carcasa (7) interna en que se alojan, se ha previsto un elemento similar protector (9) de elevada resistencia a la temperatura y de tipo autoextinguible, lo cual hace aumentar la protección mecánica y térmica de los grupos de celdas.

Las carcasas (7) interiores con los grupos de celdas (2), están inmovilizadas dentro de la caja (3) externa mediante encaje lo cual además de evitar la existencia de tornillos facilita su extracción y, como muestra la figura 2, también se contempla la posibilidad de que, además, los dispositivos de control, de protección y de conexión/desconexión también estén inmovilizados dentro de la caja (3) mediante encaje entre ellos y la caja, sin que existan tornillos para su fijación, siendo igualmente de fácil extracción. Ello, sin embargo, no supone una limitación y dicha inmovilización se puede llevar a cabo o complementarse mediante distintos elementos de fijación.

Para acceder a las conexiones eléctricas y la electrónica de control, la caja (3) cuenta con una tapa (10) fijada mediante atornillado, bajo la cual directamente se sitúan y de modo accesible dichos elementos, facilitando dicho acceso y la cual, preferentemente, es transparente para permitir la rápida y fácil inspección de los mismos.

Además, dentro de la caja (3) se ha previsto un compartimiento (11) independiente destinado a contener algunos elementos electromecánicos, que no toleran la presión y/o que no funcionan correctamente sumergidos en fluido dieléctrico, por ejemplo el fusible, ya que los mantiene separados del resto de elementos. Este compartimiento (11) consiste en un recipiente que presenta una configuración cilíndrica y es hermético.

Por último, todos los elementos contenidos en el interior de la caja (3), es decir, tanto las celdas (2) como, las carcasas (7) interiores que las agrupan y todos los dispositivos electrónicos de control, de protección y de conexión/desconexión, a excepción de los contenidos en el compartimiento (11) hermético, están completamente sumergidos en un fluido dieléctrico (12) de alta conductividad térmica, resistente a la ignición y autoextinguible.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, no se considera necesario hacer más extensa su explicación para que cualquier experto en la materia comprenda su alcance y las ventajas que de ella se derivan, haciéndose constar que, dentro de su esencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otros modos de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba siempre que no se altere, cambie o modifique su principio fundamental.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   1.-Unidad de batería compacta, que, siendo del tipo compuesto por una pluralidad de celdas (2) de batería (de litio u otro material), dispositivo electrónico de control, dispositivo de protección eléctrica y seguridad, y dispositivo de conexión/desconexión, está caracterizada porque dicha pluralidad de celdas (2), dicho dispositivo electrónico de control, dicho dispositivo de protección eléctrica y seguridad, y dicho dispositivo de conexión/desconexión se disponen confinados dentro de una caja (3) externa que los engloba de una manera compacta.
2. 2.-Unidad de batería compacta, según la reivindicación 1, caracterizada porque las celdas (2) se disponen dentro de la caja (3) en grupos de celdas (2) alojados en el interior de carcasas (7) internas, de modo que dichos grupos quedan separados entre sí eléctrica y físicamente.
3. 3.-Unidad de batería compacta, según la reivindicación 2, caracterizada porque las carcasas (7) son extraíbles.
4. 4.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 2-3, caracterizada porque la caja (3) externa y las carcasas (7) internas están fabricadas en material ignífugo, autoextinguibles y aislantes eléctricamente.
5. 5.-Unidad de batería compacta, según la reivindicación 4, caracterizada porque la caja (3) externa y las carcasas (7) internas están fabricadas en un material que es un compuesto de fibra de basalto con resina.
6. 6.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizada porque la caja (3) es hermética.
7. 7.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 Y 4 a 6, caracterizada porque dentro de la caja (3) se ha previsto un compartimiento (11) independiente consiste en un recipiente cilíndrico hermético destinado a contener algunos elementos electromecánicos que no toleran la presión y/o que no funcionan correctamente sumergidos en fluido dieléctrico.
8. 8.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizada porque todos los elementos contenidos en el interior de la caja (3) están completamente sumergidos en un fluido dieléctrico

   (12) de alta conductividad térmica, resistente a la ignición y autoextinguible.
9. 9.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizada porque la caja (3) cuenta con una tapa (10) bajo la que se sitúan de manera accesible las conexiones de las celdas (2) de la electrónica de control.
10. 10.-Unidad de batería compacta, según la reivindicación 9, caracterizada porque la tapa (10) es transparente.
11. 11.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizada porque las carcasas (7) interiores están inmovilizadas dentro de la caja (3) mediante encaje.
12. 12.-Unidad de batería compacta, según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizada porque, además, los dispositivos de control, de protección y de conexión/desconexión también están inmovilizados dentro de la caja (3) mediante encaje y/o elementos de fijación entre ellos y la caja (3).

    FIG 1

    ---41--11

    FIG.2

    2

    FIG.3

    FIG.4