ES2986401T3 - Sistemas térmicos para vehículos eléctricos de batería - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una carcasa de soporte para un compartimento de batería de vehículos eléctricos, en la que se utilizan chapas metálicas planas como carcasas embutidas que se encajan entre sí, creando al menos un doble piso en el que se integra un sistema de gestión térmica pasivo y parcialmente integrado para refrigeración y calefacción. La invención se refiere también a la integración de otros elementos funcionales, como sensores para la medición del estado, en el "doble piso" y en conexión con el sistema de gestión de batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas térmicos para vehículos eléctricos de batería

La presente invención se refiere a un alojamiento de soporte para un compartimento de batería de vehículos de propulsión eléctricos mediante el uso de láminas metálicas planas como carcasas embutidas que se encajan entre sí, con lo que se crea al menos un doble suelo en donde se integra un sistema térmico integrado para enfriamiento y calentamiento. La invención también se refiere a la integración de otros elementos funcionales, como sensores para medir el estado, integrados en el “ doble suelo” y conectados con el sistema de gestión de batería.

Paralelamente al desarrollo del automóvil con motores de combustión a finales del siglo XIX, investigadores, como Werner von Siemens, también desarrollaron con éxito vehículos eléctricos con su carro alimentado eléctricamente (1882). Debido a su importante alcance expandido, disponibilidad y precio de los combustibles fósiles, así como al rápido proceso de repostaje, los turismos con motor de combustión dominan el siglo XX. A finales del siglo XX y con las condiciones cambiantes del panorama, como el aumento de los precios y la limitación de los combustibles fósiles, los vehículos eléctricos han experimentado un renacimiento.

En general, los vehículos de propulsión eléctricos usan una propulsión eléctrica combinada con un almacenamiento de energía retenida como concepto de propulsión. Dependiendo del concepto de propulsión respectivo, los vehículos de propulsión eléctrica se pueden dividir en vehículos eléctricos de batería (BEV) que usan energía puramente eléctrica, vehículos eléctricos híbridos (HEV), vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV) o vehículos eléctricos de autonomía extendida (REEV) que combinan un motor eléctrico con un motor de combustión. También los vehículos de pila de combustible (FCV) o los vehículos híbridos de pila de combustible (FCHV), donde la energía química almacenada en forma de hidrógeno se transforma en energía eléctrica, son un grupo adicional de vehículos eléctricos. Como sistema de almacenamiento de energía, se usan baterías de alta tensión (acumuladores), como las baterías de iones de litio, como celda base y luego se interconectan a los módulos. Se ensamblan varios módulos en la batería final del vehículo. La batería del vehículo está protegida por un compartimento de batería, también denominado alojamiento de batería, paquete de batería, caja de batería o cubierta de batería.

Además del aumento de la autonomía de las baterías y la forma de protegerlas en caso de accidentes e intrusiones, el tema de la integración de funcionalidades adicionales como un sistema de gestión térmica o tecnología de sensores para medir las condiciones ambientales y el estado de la batería adquiere cada vez más importancia. El trasfondo es que el grado de eficiencia de las baterías de propulsión de iones de litio sensibles a la temperatura asciende al 95 %. El 5 % restante representa la pérdida de calor y debe eliminarse, especialmente con temperaturas ambientales más altas o durante cargas a alta tensión, porque a temperaturas de batería superiores a 35 °C la capacidad de carga de las baterías disminuye y el proceso de envejecimiento se acelera. El trasfondo es que la degradación de la química celular se acelera y se reduce la vida útil del componente. Existe una relación directa entre temperatura y reacción química: Cuanto mayor es la temperatura, mucho más rápida es la reacción. De los vehículos eléctricos de batería del estado de la técnica se sabe que en un compartimento de batería hay más de 18.000 celdas de batería integradas que añaden el calor perdido. En general, existen dos formas de crear un sistema de enfriamiento: Un sistema de enfriamiento directo que está integrado en el compartimiento de batería y tiene un contacto directo y más eficiente con las celdas de batería o los módulos de batería, como se conoce en la solicitud de patente estadounidense 8758924B2, donde se interpone un tubo de enfriamiento entre diferentes filas de celdas de batería que tienen un contacto directo con el mismo. Otra forma de configurar un sistema de enfriamiento sería uno indirecto que rodeara el compartimento de batería y, por lo tanto, enfriara de forma indirecta todo el compartimento sin peligro de cortocircuito en caso de fuga. Una ventaja de la segunda forma de diseño es que se proporciona un acceso más fácil, por ejemplo, durante un caso de reparación o para el reemplazo de componentes. Además, no hay contacto directo entre el medio de enfriamiento como el agua, ni siquiera durante una situación de accidente, lo que significa que los sistemas están separados entre sí. En cuanto al medio refrigerante, se distribuyen diferentes sistemas de última generación: El enfriamiento por aire o enfriamiento por líquido con diferentes tipos de fluidos como agua, enfriador o refrigerante.

Pero el enfriamiento no es un requisito único en cuanto a la temperatura: También, al tener una temperatura inferior a 15 °C, la capacidad de carga de las baterías disminuye y el comportamiento de las baterías es lento, lo que significa que las reacciones químicas se desaceleran con tiempos más largos de carga y descarga. Por lo tanto, también es necesario un sistema de calentamiento. El sistema completo de medición y control de temperatura se denomina gestión térmica. La temperatura ideal de las baterías a la que apunta la gestión térmica se puede definir entre 15 y 35 °C, más preferiblemente entre 20 y 30 °C.

En general, los sistemas térmicos para calentar y/o enfriar los módulos de batería se pueden dividir en sistemas directos y pasivos, dependiendo de la ubicación y del contacto del sistema de enfriamiento con los módulos de batería. La solicitud de patente WO 2012126111A1 describe un sistema de enfriamiento activo y directo donde los módulos de batería se intercalan con un sistema de enfriadores de celdas de batería. La solicitud de patente estadounidense 2013143093A1 ofrece un principio similar que usa un sistema de enfriamiento directo. Otro tipo de sistema de enfriamiento directo se señala en la solicitud de patente WO WO2016056774A1. La principal desventaja de los sistemas de enfriamiento directo es el caso de fugas durante las que un fluido podría entrar en contacto directo con las baterías energizadas con el peligro potencial de cortocircuito de las baterías y un caso de incendio. Además, la accesibilidad es más desafiante, por ejemplo, durante un caso de reparación. También después de un accidente o impacto, los compartimentos separados permiten un reemplazo más rápido de los componentes individuales sin dañar totalmente el sistema completo.

Se puede dar un ejemplo de un sistema térmico de trabajo indirecto y pasivo con la solicitud de patente WO WO2005080902A1 donde una placa de cubierta diseñada con tubos en el interior enfría, pero no calienta, un miembro unido en la superficie superior. Otro ejemplo de placa de enfriamiento se menciona en la solicitud de patente WO 2016096329A1, por lo que en este caso la placa de enfriamiento está destinada a ser una placa de montaje. Además, la solicitud de patente estadounidense 2015244044A1 también describe un tipo de placa de enfriamiento, en este caso denominada colector de placa térmica. De forma complementaria, la solicitud de patente alemana describe 102008059947A1 una placa de conducción de calor conectada con las celdas de batería individuales. La solicitud de patente estadounidense 2017047624A1 señala canales de fluido dentro de un cuerpo monolítico, paredes laterales o dicha base, opcionalmente añadidos con nervaduras de enfriamiento. También, la última solicitud de patente mencionada se puede clasificar bajo el tema de una placa de enfriamiento. Tales placas tienen la desventaja de consumir mucho material, lo que da como resultado un gran peso de todo el sistema de batería y una disminución indirecta de la autonomía de la batería. Además, existe una gran pérdida de material porque los canales se fabrican a partir de materiales monolíticos completos. El volumen total de los canales de enfriamiento anteriores representa desechos.

Otra posibilidad de fabricar placas de enfriamiento de este tipo es crearlas como pieza moldeada con estructura de canales integrados. Se puede dar un ejemplo con la solicitud de patente alemana 102015217810A1.

Es más, el compartimento de batería debe montarse de forma que ningún tipo de contaminación, como suciedad, polvo u otras partículas, pero tampoco gases y humedad, pueda penetrar en el compartimento y, por lo tanto, dañar las celdas de batería, creando un cortocircuito que dé como resultado un caso de incendio. La solicitud de patente estadounidense 2010136402A1 ha propuesto un recinto de batería sellado mediante el que una junta de sellado impermeable se interpone entre dos miembros de alojamiento para sellar las celdas de batería en el interior del entorno exterior. Además, varios pernos fijados el sistema fuera de la junta de sellado. Otra forma se describe en la solicitud de patente WO 2018029020A1, donde se usan proyecciones de soporte para resolver el problema con especial atención a la compatibilidad electromagnética. Adicionalmente, la solicitud de patente WO 9726782A2 menciona un elemento de sellado con propiedades conductoras y en una condición revestida. Dichos elementos especiales son costosos y difíciles de implementar en vehículos industriales de gran tamaño.

Para proteger las celdas de batería dentro de un compartimiento de batería, también la fabricación y el montaje de dicho compartimiento deben realizarse con especial atención a las partículas no deseadas dentro del compartimiento. Los procesos de unión térmica como la soldadura o soldadura fuerte tienen el inconveniente de producir salpicaduras de soldadura, restos de polvo y suciedad o colores de recocido no deseados para la resistencia a la corrosión. Adicionalmente, se deben considerar temas como la entrada de calor, las tensiones térmicas y la distorsión térmica. Para conectar una bandeja de batería fabricada con resina con una cubierta de batería, la solicitud de patente estadounidense 2011143179A1 describe el uso de miembros de sujeción en la porción de reborde.

Asimismo, como condiciones principales de la estructura, debe considerarse el comportamiento limitado del paquete de baterías, en el caso de turismos con propulsión eléctrica, que se encuentra principalmente en el área debajo de la carrocería del vehículo. En el estado de la técnica, se usan principalmente perfiles de extrusión o de embutición a presión de aluminio con sus beneficios naturales de tener formas complejas. También se usa aluminio fundido y moldeado para crear canales de enfriamiento moldeados en la estructura de un compartimento de batería. Un ejemplo de un uso extensivo de perfiles de aluminio extruido se puede dar con la solicitud de patente WO 2018024483A1, donde dichos perfiles, como elementos de cámara hueca, se usan como intercambiadores de calor para crear un dispositivo de temperatura dentro de un compartimento de batería. El dispositivo usa un fluido y está dividido en diferentes celdas de atemperación que tienen, en cada caso, una superficie de intercambio de calor con los diferentes módulos de batería. Nuevamente, el sistema térmico no está separado de las celdas de batería consecuentemente en caso de fuga y el sistema consume mucho espacio y tiempo de montaje.

Además de las publicaciones mencionadas anteriormente, los siguientes documentos describen compartimentos de batería y sistemas para controlar la temperatura dentro del compartimento de celdas de batería: Documentos US 2012/141851, EP 2650945 y DE 19648353.

En el estado de la técnica, existen diferentes soluciones sobre cómo sellar y conectar los diferentes miembros de compartimiento para proteger las celdas internas de batería con un alojamiento cerrado. Pero no hay disponible un sistema sencillo y rentable para otras funciones, especialmente la gestión térmica. Además, no se ofrece una forma de usar láminas metálicas planas con el beneficio de procesos de formación de alto volumen rentables para una producción en masa de automóviles. Tampoco se aprovechan los efectos físicos de las finas láminas metálicas para un sistema térmico del estado de la técnica. Estos efectos se pueden describir con la fórmula (1) para la conducción térmica con la ley de Fourier, muy conocida en la bibliografía:

Q = A • A • (Ti - T2) / 1 (1),

donde Q representa la capacidad térmica [W] que está influenciada para un caso unidimensional de una lámina plana por la conductividad térmica A [W / (m ■ K)] del material de lámina, el área A [mm2] del área de flujo ortogonal de la lámina, la diferencia de temperatura entre la temperatura del lado más cálido Ti [K] y la temperatura del lado más frío T2 [K]. Por último, la capacidad térmica también se ve influenciada por el espesor de la lámina.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es eliminar algunos inconvenientes de la técnica anterior y conseguir un alojamiento de soporte para un compartimento de batería de vehículos de propulsión eléctrica.

La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.

La invención usa láminas metálicas planas como al menos dos carcasas embutidas que encajan entre sí, por lo que se crea al menos un doble suelo en donde se integra un sistema térmico pasivo y parcialmente integrado para enfriamiento y calentamiento. Como realización preferida de la presente invención, las carcasas embutidas se fabrican con rebordes salientes. Otros elementos funcionales, como sensores para medir el estado, integrados en el “ doble suelo” y conectados con el sistema de gestión de batería.

Como una realización preferida del método de la presente invención, las superficies de contacto de una carcasa con la carcasa más interna se crean mediante embutición profunda de modo que se proporciona una posición definida entre sí y un área definida dentro del sistema de doble suelo, véase figura 2. Estas superficies de contacto de las carcasas rodean el espacio de suelo de la carcasa más interna donde se ubican los módulos de batería y tienen una anchura idéntica al radio de la carcasa más interna, preferiblemente entre 5,0 mm < r < 9,0 mm. Este espacio, por un lado, está lo suficientemente cerca como para permitir una alta eficiencia de espacio con un gran número de módulos de batería integrados. Por el otro lado, en las superficies de contacto existe una distancia definida entre los módulos de batería y las paredes laterales de la carcasa más interior como seguridad adicional en caso de accidente (forma posible de máxima intrusión) y un espacio adicional de enfriamiento por aire.

Al menos dos válvulas de aislamiento que funcionan como una válvula de entrada y una válvula de salida conectadas con los elementos circundantes del circuito de enfriamiento se instalan en la carcasa exterior para permitir un flujo continuo de fluido como un sistema de enfriamiento cerrado. Se usa un fluido fluyente que podría ser agua, idealmente con aditivos descongeladores, un enfriador o un refrigerante.

Como realización preferida de la presente invención, la válvula de entrada se realiza como una barra larga, que aquí puede denominarse primera barra, con boquillas de entrada en toda la anchura de la carcasa más externa menos ambos radios para permitir una distribución uniforme del fluido entrante y alcanzar, por lo tanto, un rendimiento de enfriamiento eficaz. Para permitir aún más una alta eficiencia de enfriamiento, la barra debe ubicarse en altura sobre el elemento de calentamiento por resistencia. En el lado opuesto de la carcasa más externa, la válvula de salida se realiza mediante una barra de descarga, que aquí puede denominarse segunda barra, para permitir la salida del fluido. Los radios de las carcasas, que están preferiblemente entre 5,0 mm < r < 8,0 mm, funcionan como una distancia de seguridad entre los módulos de batería y la carcasa, de modo que en esta área no es necesario ningún flujo activo del fluido. Para integrar las barras en la carcasa más externa, se pueden recortar aberturas después de embutirlas profundamente en la carcasa, por ejemplo, mediante corte con rayo láser. A continuación, las barras se pueden taponar en las aberturas y, si es necesario, unirlas o soldarlas con metal de aportación desde el lado exterior a modo de junta solapada.

Para crear un sistema de calentamiento se podrían integrar diferentes realizaciones en el sistema de doble suelo. Dentro de las láminas formadas/estructuradas se pueden instalar tejidos de punto técnicos o telas técnicas fabricados a partir de hilos metálicos y se usa el principio de funcionamiento físico del calentamiento por resistencia eléctrica. Como diseño favorable, el tejido de punto usado se fabrica con una aleación de cobre para utilizar con buena conducción térmica la ley de Joule, véase fórmula (2)

(Q = I2 * R * t) (2),

donde I represento la corriente [A], R la suma de todas las resistencias de contacto y materiales [O] y t el tiempo [s].

Una temperatura convencional no debe exceder los 60 °C, más preferiblemente no debe exceder los 45 °C para los tejidos de punto dentro del sistema de doble suelo. Un criterio de diseño importante para una buena durabilidad del sistema es separar los tejidos de aleación de cobre de la carcasa de acero inoxidable para evitar la corrosión bimetálica. La corrosión bimetálica se puede definir según la norma DIN EN ISO 8044 como una forma especial de corrosión galvánica o, más coloquialmente, como corrosión por contacto entre dos metales. Sin una separación definida, el líquido de enfriamiento dentro del sistema térmico funcionará como una película líquida conductora, un denominado electrolito. Las carcasas de acero inoxidable más nobles actuarán como un cátodo, mientras que los tejidos de punto con aleación de cobre, como material no noble, funcionarán como un ánodo. En el caso de la presente invención, la relación de área í<el>es desfavorable y permite la corrosión bimetálica. La relación de área se puede definir con la fórmula (3) como:

<íel>= F<k>/ F<a>(3),

donde Fk es el área del cátodo y F<a>el área del ánodo. Por lo tanto, en el método de la presente invención, el tejido de punto con aleación de cobre se aísla de la carcasa de acero inoxidable mediante un material aislante, por ejemplo, mediante una lámina de plástico o una lámina aislante de poliamida, más preferiblemente mediante un revestimiento o lámina de Teflón.

Con miras a un sistema bien equilibrado con un flujo de fluido sin problemas para la eficiencia de enfriamiento, por un lado, y un tiempo de calentamiento rápido del sistema por el otro lado, una relación de la altura rh del área de flujo libre rf con respecto a la altura del elemento de calentamiento por resistencia eléctrica re se puede definir con la fórmula (4):

rh = rf / r e (4),

por lo que la relación debería ser rh > 1,0, más preferiblemente 1,0 < rh < 2,0.

En caso de sobrecalentamiento, las dos válvulas de aislamiento se cierran para detener el flujo de fluido. Después, se inicia el calentamiento por resistencia y, por lo tanto, se calienta el fluido estancado dentro del sistema de doble suelo. Un mecanismo de calentamiento de área amplia de este tipo permite el calentamiento rápido y eficaz de todos los módulos de batería con velocidades de calentamiento cortas sin peligro de sobrecalentamiento y sin necesidad de una alta entrada de energía. Para un enfriamiento posterior, se vuelven a abrir ambas válvulas de aislamiento y se detiene el calentamiento por resistencia, lo que permite un flujo continuo de fluido lo que produce un efecto de enfriamiento. Si es necesario, también se puede realizar un calentamiento local con el método de la presente invención aplicando simplemente localmente los elementos de calentamiento por resistencia. El hardware adicional necesario para un sistema térmico completo, como una bomba, una válvula de compensación de presión, una válvula de drenaje adicional, líneas de conexión, un depósito de fluido como un tanque o un refrigerador como un radiador, un enfriador o un condensador, se puede aplicar a partir de las soluciones del estado de la técnica. El mismo procedimiento se puede determinar para el software necesario, como una unidad de control. Como un suministro eléctrico para el sistema térmico se usan las propias celdas de batería.

Se busca una gestión térmica anticipada con una regulación predictiva como una realización preferida de la presente invención para permitir una alta relación de eficiencia y una alta durabilidad de las celdas de batería, así como una mayor autonomía. En este caso, la unidad de control se puede conectar y vincular con el sistema de navegación para conocer los próximos gradientes, el tipo de carretera (tráfico urbano, carretera rural o autopista) o la autonomía deseada. Además, se pueden consultar datos generales como la época del año, la temperatura exterior esperada y real y la localidad para determinar una estrategia térmica significativa con enfriamiento o calentamiento oportuno. Pero también durante situaciones estacionarias como la carga de las baterías, el sistema térmico debe estar activo para garantizar la eficiencia de carga. Esto es especialmente necesario durante la carga rápida, donde se genera más calor. Con el método de la presente invención, tales posibilidades son factibles y favorecidas desde el punto de vista del hardware sin restricciones.

Lo último en tecnología para vehículos eléctricos de batería es conectar el circuito de enfriamiento de las baterías con el sistema de acondicionamiento de aire interconectándolo con el circuito de refrigeración. Con el método de la presente invención también sería posible realizar dicha interconexión, pero no se centra en la misma.

Para lograr un equilibrio de temperatura en el intervalo de temperatura deseado entre 15° y 35 °C con el método descrito anteriormente, se usa el mecanismo de convección térmica entre el fluido que fluye y la carcasa interna dirigida a los módulos de batería. Dentro del material de lámina, la conducción térmica tiene lugar antes de que proceda la transferencia térmica entre la carcasa interna y los módulos de batería, opcionalmente con un compuesto de transferencia térmica como una pasta termoconductora entremedio.

Preferiblemente, como una selección de material, se usan aceros inoxidables para cumplir el método de la presente invención debido a su resistencia a la corrosión, al calor y a los ácidos, en general por su alta conformabilidad, su alta reciclabilidad y su disponibilidad mundial como láminas planas combinada con una alta experiencia como materiales de embutición profunda durante décadas, por ejemplo, como fregaderos de cocina. De este modo, el espesor de las láminas metálicas planas es t < 3,0 mm, más preferiblemente t < 1,0 mm para realizar una construcción de carcasa hermética pero ligera y rentable. Para el caso de la presente invención, se prefiere usar un acero inoxidable austenítico de mayor resistencia a la corrosión aleado con cromo y níquel, opcionalmente con molibdeno para la carcasa más externa en una condición más gruesa que la carcasa más interna. Debido a la conductividad térmica significativamente menor que depende de la microestructura en relación con una microestructura ferrítica, además de la circunstancia de una lámina más gruesa, la capa austenítica más externa funciona como un aislante del entorno externo. Esto hace que el sistema sea más eficiente e independiente de las temperaturas exteriores. Al mismo tiempo, la carcasa más interna debe estar hecha de acero inoxidable ferrítico, más fina que la carcasa más externa austenítica y debido a su conductividad térmica significativamente mayor, tiene la función de un buen conductor térmico. Como resultado, las al menos dos carcasas se diferencian en su microestructura y funcionan, por lo tanto, como un conductor térmico para los módulos de batería y, al mismo tiempo, como un aislante para el área circundante. Se puede crear una configuración de material ideal teniendo una relación de conductividad térmica de rA < 0,6. Además, el efecto puede verse favorecido por una diferencia de espesor de las diferentes carcasas. La diferencia se puede definir como una relación de espesor rt por fórmula (5):

r» = ro / r¡ (5),

donde ro es el espesor de la carcasa más externa que tiene contacto con el área circundante y n es el espesor de la capa más interna que tiene contacto con los módulos de batería. Como una realización ideal la relación es r<t>s 2,0, más preferiblemente 2,5 < r<t>< 3,5.

Para la carcasa más externa, otra realización ideal de la presente invención es usar aceros inoxidables austeníticos endurecidos por deformación caracterizados por un límite elástico R<po>,2 s 400 MPa, más preferiblemente R<po>,2 s 800 MPa para funcionar como resistencia contra impactos. Asimismo, una microestructura constante incluso después del conformado o soldadura es suficiente para ofrecer propiedades no magnéticas incluso en el estado del componente para un mejor blindaje electromagnético. Tales grados se pueden caracterizar por un efecto de endurecimiento TWIP (plasticidad inducida por hermanamiento) y una energía de falla de apilamiento entre 20 y 30 mJ/m<2>.

Para la carcasa interna, los aceros inoxidables ferríticos, especialmente los de calidades estabilizadas con titanio y/o niobio, podrían alcanzar la necesaria embutibilidad profunda en combinación con una suficiente resistencia a la corrosión.

Para proteger el sistema contra una fuga de fluido térmico, el sistema de doble suelo debe estar sellado. Como una realización preferida de la presente invención, las carcasas están profundamente embutidas con muescas en los rebordes salientes. Durante la embutición profunda sólo es posible estampar en la dirección de estampación, no en la dirección opuesta. Por lo tanto, el tipo de muescas debe trabajarse de forma diferente para las diferentes carcasas. Para la carcasa lateral externa sólo se requiere una muesca. Pero para crear una contraparte definida en el reborde de la carcasa que ajusta en otra carcasa, es necesaria otra forma y número de muescas para crear en el extremo un área de sellado definida. La figura 6 señala una posible combinación de muescas para crear un área de sellado. El sellado en sí podría realizarse con compuestos de sellado bien conocidos, como un relleno de espacios, un adhesivo, especialmente adhesivo para parabrisas, una junta sólida, silicona viscoplástica, un butilo caliente, una cola, un sellado de costuras de PVC o sellado de cavidades de cuerpo. Estos compuestos de sellado se usan actualmente como el estado de la técnica en diferentes componentes de automoción y se pueden adaptar a los alojamientos de soporte actuales. En general, se deberían preferir sistemas rentables con un proceso de curado rápido y sin necesidad de entrada de calor adicional, por ejemplo, necesario para adhesivos de curado en caliente de un solo componente.

La embutición profunda podría realizarse mediante diferentes pasos de embutición, pero para tener un proceso de fabricación rentable con tan pocos pasos como sea mínimo posible. Opcionalmente se puede integrar un recorte de los componentes embutidos profundamente.

Una gran ventaja de una construcción de carcasa embutida profundamente para un sistema térmico y alojamiento de batería en relación con un perfil o un diseño intensivo curvado es que se pueden evitar los procesos de unión térmica como la soldadura o soldadura fuerte y, por lo tanto, los riesgos debidos a la distorsión térmica o la contaminación con las salpicaduras de soldadura o restos de polvo. Asimismo, también se pueden evitar tensiones térmicas internas, así como problemas de fugas debidos a grietas de soldadura o fusión incompleta. El método de unión preferido para el método de la presente invención es, como consecuencia, un proceso de unión mecánico como remachado o atornillado ubicado en los rebordes salientes de las carcasas. Esto da como resultado una alta accesibilidad, un concepto de reparación y reconexión sencillo. Para seguir el camino de una forma rápida y de pocos pasos para la fabricación de alojamientos de baterías, se usa preferiblemente el método de unión de perforación por flujo. En este caso la rosca la realiza directamente el tornillo perforador de flujo. Además, los rebordes salientes de las carcasas podrían usarse para una conexión debajo de la carrocería o con elementos separadores debajo de la carrocería, también con elementos de unión mecánicos. Con la presente invención también es posible realizar el compartimento de la batería como un sistema intercambiable, lo que se denomina batería intercambiable.

También es posible combinar varias carcasas encajadas entre sí. Esto será interesante en un caso donde también sea necesario integrar el sistema de gestión de batería (BMS) con sus componentes eléctricos en un área cerrada y sellada del alojamiento de batería. Al encajar más de dos carcasas entre sí, se crean sistemas de doble suelo protegidos para otras funcionalidades de un vehículo eléctrico de batería.

Siguiendo el método de aplicar láminas de acero planas y finas en lugar de perfiles extruidos, la fabricación aditiva o placas pesadas como estructura curvada, aceros inoxidables austeníticos finos también se podrían usar debajo de la carcasa más externa como protección contra impactos debajo de la carrocería en un diseño perfilado y apilado. La consecuencia es un área estructurada hueca que puede funcionar como elemento absorbente de energía y proteger, por lo tanto, las carcasas. Las calidades austeníticas endurecibles por deformación tienen la posibilidad de endurecerse en frío durante la deformación como un impacto y, por lo tanto, funcionar en un diseño apilado como un resorte de compresión con una línea característica progresiva. Al mismo tiempo, la alta ductilidad permite un alto potencial de absorción de energía. Algunos ejemplos de láminas perfiladas pueden ser láminas onduladas, estructuras alveolares, láminas enrolladas flexibles, láminas perforadas, láminas con resaltes y protuberancias, láminas trapezoidales, láminas encorvadas, láminas proyectadas, láminas de borde o láminas con estructura piramidal. Como realización adicional de la presente invención, se pueden aplicar vigas transversales desde el lado exterior de la carcasa más externa para reforzar la construcción en el área de suelo de la carcasa y para actuar además como trayectorias de carga.

Además, el alojamiento de soporte garantiza la protección física según las normas UN R94 y R95 para proteger a las personas del contacto con los componentes de alta tensión (protección IPXXB) que están completamente cubiertos. Además, ningún componente de alta tensión puede desprenderse del vehículo eléctrico.

La funcionalidad del compartimento de batería de la presente invención es independiente de la posición de montaje dentro del vehículo eléctrico. Preferiblemente, el compartimento de batería está situado sobre toda la parte de debajo de la carrocería para garantizar una autonomía máxima de la batería, un bajo centro de gravedad y una dinámica de conducción equilibrada. Pero también funcionarán construcciones localizadas como compartimentos unilaterales, posicionamiento delantero o trasero. En estos casos, la construcción de carcasa embutida profundamente permite un ajuste para diferentes formas o soluciones de embalaje requeridas.

La invención funciona independientemente del tipo de acumulador usado en su interior, como baterías de níquelcadmio, híbridas de níquel-metal, de iones de litio o de litio-aire.

Los sistemas de gestión de baterías (BMS) para control de carga y descarga (gestión de carga), monitorización de temperatura, evaluación de distancia y dispositivos de diagnóstico pueden integrarse en el compartimento de batería o no para la presente invención. Lo mismo ocurre con el sistema de gestión de temperatura con su fluido enfriamiento y sus canales de enfriamiento. En el lado interior del fondo interior se pueden integrar cables de alta tensión para proteger a los ocupantes u otras personas contra cortocircuitos o electrificación del vehículo o sus componentes.

Es más, es posible integrar sensores para medir vibraciones, tensiones, posición o movimiento dentro del sistema de doble suelo como monitorización de condición, y recopilar datos sobre el comportamiento de funcionamiento del sistema de resortes en el interior.

En general, el método de la presente invención funciona para todos los sistemas movidos o sistemas de transporte que usan módulos de batería. Con ajuste y escala, la presente invención también funciona para otros tipos de sistemas eléctricos de transporte de pasajeros o mercancías, como autobuses eléctricos, vehículos comerciales eléctricos, taxis eléctricos o vehículos para reparto de paquetería. Es apropiado usar un compartimento de batería con el alojamiento de soporte actual para un vehículo. Pero, especialmente para el transporte de larga distancia, como por ejemplo el transporte de mercancías con camiones, se pueden integrar en el vehículo varios compartimentos de batería para aumentar la autonomía. En este caso, para conseguir un sistema térmico suficiente debería preverse un alojamiento de soporte para cada compartimento con todo el hardware circundante y ejecutarse en cada caso como un sistema autónomo con su propio circuito de fluido. Tanto el software como la unidad de control pueden usarse para dirigir todos los compartimentos y sistemas térmicos. Otra razón para crear diferentes compartimentos con diferentes alojamientos de soporte podría ser la limitación de la anchura disponible de la bobina y de la placa o la dimensión máxima de las herramientas para la carcasa.

La presente invención se muestra con más detalle haciendo referencia a los siguientes dibujos donde:

La figura 1 muestra una realización preferida de la invención vista esquemáticamente desde una vista lateral.

La figura 2 muestra esquemáticamente otra realización preferida de la invención vista desde la vista lateral como una vista en sección del doble suelo.

La figura 3 muestra otra realización preferida de la invención vista esquemáticamente desde una vista lateral.

La figura 4 muestra otra realización preferida de la invención vista esquemáticamente desde una vista lateral.

La figura 5 muestra otra realización preferida de la invención vista esquemáticamente desde la vista lateral como una vista en sección del flujo de fluido.

La figura 6 muestra esquemáticamente otra realización preferida de la invención vista desde una vista lateral como una vista en sección de la capa de sellado.

La figura 7 muestra otra realización preferida de la invención vista esquemáticamente desde una vista lateral.

La figura 8 muestra una realización preferida de un sistema de válvula visto esquemáticamente desde la vista superior (izquierda) y una vista lateral en sección (derecha).

La figura 9 muestra un circuito convencional como un diagrama de circuito esquemático.

La figura 1 muestra una primera carcasa embutida profundamente (1) en donde se coloca una segunda carcasa embutida profundamente (2) para crear un área dentro de un sistema (3) de doble suelo en donde se coloca un elemento (4) de calentamiento por resistencia antes del cierre. Los módulos (5) de batería están separados del sistema de gestión térmica por su ubicación fuera del sistema de doble suelo en la carcasa más interna, aquí (2). Una placa (6) de bloqueo ha cerrado la carcasa (2) con los módulos (5) de batería en su interior. La conexión entre las carcasas (1) y (2) y entre la carcasa más interna (2) con la placa (6) de bloqueo se realiza mediante elementos mecánicos (7) de unión.

La figura 2 muestra una realización preferida de la disposición de carcasa mediante la cual una primera carcasa (1), en donde se monta una carcasa interna (2), se diseña teniendo superficies (8) de contacto de soporte de modo que proporciona un posicionamiento definido entre sí y un área definida dentro del sistema de doble suelo.

La figura 3 muestra la conexión del alojamiento de batería con la parte (9) de debajo de la carrocería mediante el uso de elementos espaciadores (10) conectados con el alojamiento de batería mediante elementos mecánicos (7) de unión. En esta figura se cambia la disposición creando otra realización preferida de la invención de manera que el sistema (3) de doble suelo con el elemento (4) de calentamiento por resistencia se conecta en un primer paso con la parte de debajo de la carrocería. Durante un segundo paso de montaje, la placa (6) de bloqueo con los módulos (5) de batería aplicados se conecta desde abajo con la carcasa más interna (2) con elementos mecánicos (7) de unión.

La figura 4 muestra otras láminas en forma perfilada (11) que crean un área estructurada hueca (12) y están conectadas con la carcasa más externa (1) como resistencias adicionales contra impactos debajo de la carrocería.

La figura 5 muestra en una vista en sección del sistema de gestión térmica. Durante el enfriamiento, ambas válvulas de aislamiento denominadas válvula (13) de entrada y válvula (14) de salida se abren y permiten un enfriamiento con un flujo de fluido continuo. Si el calentamiento es necesario, se cierran ambas válvulas de aislamiento y se pone en marcha el elemento (4) de calentamiento por resistencia que calienta el fluido estancado dentro del sistema (3) de doble suelo.

La figura 6 muestra en una vista en sección la capa (15) de sellado de una primera carcasa embutida profundamente (1) con una segunda carcasa embutida profundamente (2) que se monta en (1). Para sellar el sistema (3) de doble suelo interno del entorno exterior y evitar cualquier tipo de contaminación como suciedad, polvo, otras partículas o humedad del exterior, pero también para evitar una descarga de líquido del sistema de doble suelo, la capa de sellado se cubre con muescas embutidas profundamente (16) ubicadas en el reborde de las carcasas. Los elementos mecánicos (7) de unión deben estar dispuestos fuera de las muescas (16) y de la capa (15) de sellado.

La figura 7 muestra otra realización preferida de la presente invención para usar en lugar de una placa (6) de bloqueo de otra carcasa embutida profundamente (17) para crear un sistema de dos medias carcasas para los módulos de batería. De manera ventajosa, la carcasa adicional embutida profundamente (17) es idéntica a la carcasa más interna (2) , de modo que para ambas carcasas sólo se necesita una herramienta de embutición profunda. Al menos un lado de media carcasa se ajusta en una primera carcasa embutida profundamente (1) para crear un área de sistema térmico dentro de un sistema (3) de doble suelo. También en este caso se podrían usar elementos mecánicos (7) de unión para conectar las carcasas.

La figura 8 muestra una realización preferida de un sistema de válvula por el que una barra (18) con boquillas (19) de entrada se integra como una válvula (13 de la figura 4) de entrada para permitir la entrada del fluido. En el lado opuesto de la carcasa más externa, se integra una segunda barra (20) como una válvula (14 de la figura 4) de salida como un elemento de descarga del fluido. Como realización preferida del flujo de fluido, ambas barras están ubicadas sobre toda la anchura de la carcasa menos ambos radios (21). De este modo, como se ve en la vista lateral en sección en el lado derecho de la figura 8, las barras están ubicadas en altura sobre el elemento (4) de calentamiento por resistencia.

La figura 9 muestra un circuito convencional como un diagrama de circuito esquemático con los diferentes componentes y posibles interconexiones. El orden y el uso de componentes individuales pueden variar.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   i.Alojamiento de soporte de gestión térmica para un compartimento de batería de vehículos de propulsión eléctricos en donde al menos dos carcasas embutidas profundamente (1, 2) se encajan entre sí, por lo que se crea al menos un doble suelo (3) compuesto por una carcasa interna (2) y una carcasa externa (1), en la que se integra un sistema (4) de gestión térmica, estando dicho sistema (4) de gestión térmica colocado entre el suelo exterior de la carcasa interna (2) y el suelo interior de la carcasa externa (1), dichos módulos (5) de batería colocados en el interior de la carcasa interna (2), estando separados del sistema (4) de gestión térmica colocados entre el suelo exterior de la carcasa interna (2) y el suelo interior de la carcasa externa (1) por el diseño de doble suelo,caracterizado por queel sistema (4) de gestión térmica para el enfriamiento y calentamiento está configurado para mantener indirectamente los módulos (5) de batería a una temperatura en el intervalo de entre 15 °C y 35 °C.
2. 2. Alojamiento de soporte de gestión térmica para un compartimento de batería según la reivindicación 1,caracterizado por quese usan al menos dos láminas metálicas planas diferentes que tienen diferentes conductividades térmicas para que las diferentes carcasas (1, 2), diferentes en su microestructura, funcionen como un conductor térmico para los módulos (5) de batería y al mismo tiempo como un aislante para un área que rodea el alojamiento de soporte de gestión térmica al tener una relación de conductividad térmica de rA < 0,6.
3. 3. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por queuna relación de espesor entre un espesor de la carcasa externa (1) que tiene contacto con el área circundante y un espesor de la carcasa más interna (2) que tiene contacto con los módulos (5) de batería es rt s 2,0, más preferiblemente 2,5 < rt < 3,5.
4. 4. Alojamiento de soporte según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quese usan aceros inoxidables ferríticos para la carcasa más interna (2) que tiene contacto con los módulos (5) de batería y aceros inoxidables austeníticos que se usan para una carcasa externa (1).
5. 5. Alojamiento de soporte según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela carcasa externa (1) está fabricada con un material no magnético que tiene un límite elástico R<p>0,2 s 400 MPa, más preferiblemente R<po>,2 s 800 MPa como resistencia contra impactos.
6. 6. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por queel calentamiento en el interior del doble suelo más interno se realiza cerrando dos válvulas (13, 14, 19, 20) de aislamiento para detener el flujo de fluido y mediante calentamiento (4) por resistencia eléctrica que tiene un efecto físico, usando tejidos de punto técnicos fabricados de alambres de aleación de cobre que están aislados de las carcasas de acero inoxidable mediante una lámina aislante fabricada de poliamida o plástico, preferiblemente Teflón.
7. 7. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por queel enfriamiento dentro de la carcasa más interna del sistema de doble suelo se realiza mediante válvulas (13, 14, 19, 20) de aislamiento abiertas y un líquido que fluye como agua, un enfriador o un refrigerante, más preferiblemente un líquido añadido con protección contra heladas.
8. 8. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por quese embuten profundamente muescas en un reborde de al menos una carcasa para crear una posición definida para una capa de sellado.
9. 9. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por quese integran otras funcionalidades en el alojamiento de batería mediante la implementación de elementos de medición en sensores similares de doble suelo para medir condiciones ambientales como temperatura, deformación o estado del sistema.
10. 10. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por quea la carcasa externa se le conectan otras láminas perfiladas de estructura hueca como resistores adicionales contra impactos debajo de la carrocería.
11. 11. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por quese usan procesos de unión mecánica como atornillado o una combinación de unión mecánica con energía térmica como perforación por flujo para unir las diferentes carcasas (1, 2) entre sí y una placa (6) de bloqueo con elementos mecánicos (7) de unión.
12. 12. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por quese usa un sistema de dos medias carcasas como compartimento de batería para los módulos (5) de batería, por el que al menos un lado de la media carcasa se encaja en otra carcasa embutida profundamente para crear al menos un área del sistema térmico dentro de un sistema (3) de doble suelo que rodea el compartimiento de batería.
13. 13. Alojamiento de soporte según la reivindicación 1,caracterizado por queuna primera barra con boquillas (13, 14, 19, 20) de entrada y una segunda barra como una barra de descarga están integradas en la carcasa más externa (1), preferiblemente en toda la anchura de la carcasa menos ambos radios, para realizar un concepto de enfriamiento eficaz con un fluido fluyente.