ES3035612T3 - Compact battery for electric bicycles - Google Patents

Compact battery for electric bicycles

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ES3035612T3
ES3035612T3 ES21382553T ES21382553T ES3035612T3 ES 3035612 T3 ES3035612 T3 ES 3035612T3 ES 21382553 T ES21382553 T ES 21382553T ES 21382553 T ES21382553 T ES 21382553T ES 3035612 T3 ES3035612 T3 ES 3035612T3
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Arkarazo Beñat Auzmendi
Alberdi Kepa Ochoa
Gomez Xabier Narbaiza
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Orbea SCL
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Abstract

La invención se refiere a una batería (1) para bicicletas eléctricas que comprende un número total de N celdas (2) distribuidas de forma optimizada, un sistema de gestión (4) y al menos un conector (5). La batería (1) se caracteriza por incluir una distribución con al menos un semibloque adicional (3b), formado por al menos una celda (2) separada de un bloque (3) o semibloque (3a) en un extremo (1a) de la batería (1), creando al menos dos espacios (6, 7). El espacio anterior (6) se ubica en el semibloque (3a) del extremo (1a) de la batería (1), creado por la ausencia de al menos una celda (2) y destinado a conectar el sistema de gestión (4), y el nuevo espacio (7) se ubica en el semibloque adicional (3b), creado por la ausencia de al menos n-1 celdas (2), destinado a alojar el conector (5). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
BATERÍA COMPACTA PARA BICICLETAS ELECTRICAS
Sector de la técnica
La invención se sitúa en el sector de las bicicletas eléctricas, concretamente en las baterías eléctricas que alimentan los motores de las bicicletas eléctricas y en un método de optimización de la distribución de las baterías.
Estado de la técnica
Actualmente se ha incrementado el uso de las bicicletas eléctricas. Este tipo de bicicletas son similares a las bicicletas tradicionales, pero incluyen un motor eléctrico, alimentado por una batería eléctrica recargable, que ayuda en determinados momentos al pedaleo, lo conocido como pedaleo asistido. Además, el uso de la bicicleta eléctrica es sencillo, a la hora de pedalear el ciclista desarrolla una fuerza en los pedales que a su vez genera un momento debido a la distancia que hay de los pedales al eje pedalier, la fuerza en los pedales se produce mediante un movimiento rotativo, que da lugar a la potencia del ciclista. Por otro lado el motor asiste mediante la entrega de una potencia programada que normalmente está relacionada con la potencia que aporta el ciclista.
Las baterías eléctricas que alimentan el motor de las bicicletas eléctricas, son dispositivos que consisten en al menos un bloque de celdas electroquímicas que pueden convertir la energía química almacenada en corriente eléctrica. Además también comprenden un sistema de gestión de baterías, también conocido como BMS (Battery manage system) y unos conectores para el conexionado del sistema eléctrico. Por un lado, cada celda consta de un electrodo positivo, o cátodo, un electrodo negativo, o ánodo y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, permitiendo que la corriente fluya fuera de la batería para llevar a cabo la función de alimentar el sistema eléctrico. Las celdas más utilizadas en las baterías de bicicletas eléctricas son la celda 18650 y la celda 21700. Por otro lado, el BMS es un sistema electrónico o circuito de protección que controla la batería recargable para que trabaje en equilibrio y prevenir que las celdas tengas sobrecarga, sobre descarga o exceso de consumo.
Para entender mejor el funcionamiento y distribución interna de celdas de una batería eléctrica de una bicicleta, se debe conocer los parámetros que se utilizan. En primer lugar, ha de conocerse el voltaje al que trabaja el motor, que es el que define el voltaje del sistema, generalmente en el sector de las bicicletas eléctricas existen motores de 24, 36 y 48 Voltios (V). Donde el voltaje representa la presión con la que el motor empuja la corriente a través de un circuito eléctrico cerrado. Por otro lado, otro parámetro que comprenden las baterías eléctricas es la capacidad o capacidad de potencia, que representa la autonomía del sistema o el depósito de almacenaje de energía. Dependiendo de la capacidad de potencia del motor se define la intensidad más adecuada a la que alimentar el motor, donde la intensidad es la corriente que se debe suministrar al motor.
Definidos los parámetros, se procede a explicar la diferencia entre las celdas 18650 y la celda 21700. La celda 18650 tiene unas dimensiones cilíndricas de 18mm de diámetro por 65mm de alto, con una carga eléctrica o capacidad nominal de 2 a 3,5Ah y un voltaje nominal de 3,6V. Por tanto la celda 18650 tiene una capacidad de 12.6 Wh. Mientras que la celda 21700 es una evolución de la celda anterior y tiene unas dimensiones cilíndricas de 21mm de diámetro por 70mm de alto, con una con una carga eléctrica o capacidad nominal de 3 a 5 Ah, un voltaje nominal de 3,6V y por tanto una capacidad de 18Wh.
Por tanto para conseguir que el motor trabaje con el voltaje y la intensidad deseada, se deben realizar agrupaciones de celdas en serie y paralelo para alcanzar los parámetros necesarios. Para ello se debe conocer que las conexiones en serie, logran un mayor voltaje total debido a que se suman los voltajes de cada celda conectada en serie. Sin embargo las conexiones en paralelo logran aumentar la intensidad del conjunto dividiendo la intensidad a la que trabaja cada celda. Pudiendo realizar ambas conexiones conjuntamente en diferentes combinaciones y agrupaciones, de manera que existen infinitas posibilidades de distribución de las celdas.
Resumiendo, para poder conseguir el voltaje que requiere el motor se deben realizar agrupaciones de celdas en serie y para conseguir la intensidad que requiere el motor o una mayor, se deben conectar las celdas en paralelo o al menos dos agrupaciones de celdas completas en serie como las mencionadas anteriormente. A medida que aumenta el número de agrupaciones en serie en paralelo, la intensidad a la que trabaja cada celda y cada agrupación en serie disminuye, ya que la intensidad que necesita el motor se divide entre las distintas agrupaciones en serie. Por lo que es necesario la conexión en paralelo cuando la intensidad puede ser perjudicial para la celda, consiguiendo que la intensidad de cada celda no sea muy elevada para evitar que pueda dañarse.
Conocido todo lo anterior, las bicicletas más comunes del mercado comprenden motores que trabajan a 36V o 48V, por lo que por un lado, para conseguir los voltajes mencionados con celdas de 3,6V se necesitan agrupaciones de 10 y 14 celdas en serie respectivamente. Y por otro lado, para conseguir una mayor capacidad de potencia en el motor, dado que viene dada por la intensidad se deben colocar en paralelo tantas agrupaciones en serie como se deseen. Es decir, si se desea una batería de capacidad 360Wh, una capacidad muy común en las bicicletas eléctricas, se necesitan 20 celdas para formar la batería. Porque la capacidad de una batería es igual a la multiplicación de los voltios de una celda, por los amperios hora de una celda por el número de celdas.
Conocido el número total N de celdas que se necesita en la batería hay que proceder a la distribución, generalmente en bloques uniformes. La distribución de las celdas junto con la colocación de la BMS y los conectores serán lo que defina el diseño final de la batería. Un bloque se define como un grupo de celdas que se repite a lo largo de la batería hasta completar el número total N de celdas necesario para completar la batería eléctrica. Para elegir la distribución o el número B de bloques de la batería o cuantas celdas colocar en cada bloque, hay que tener en cuenta los parámetros de longitud, altura, anchura y forma que se desea dar a la batería para que pueda ser acoplada al cuadro de la bicicleta, por lo tanto pueden existir infinitas posibilidades de distribución de las celdas y diseños de batería. Sin embargo solo habrá dos situaciones posibles en cuanto a la condición de distribución.
La primera situación se da cuando el número total N de celdas es múltiplo del número B de bloques de celdas que se repiten y por tanto la batería queda formada por bloques uniformes del mismo número n de celdas como muestra la figura 1. La segunda situación ocurre cuando el número total N de celdas no es múltiplo del número B de bloques, en este caso el bloque del extremo de la batería es un semi-bloque de un número n' de celdas, es decir que queda incompleto, como puede observarse en la Figura 2. Tras elegir la distribución de celdas y siguiendo con el ejemplo anterior de una batería de 360Wh de 20 celdas, se debe añadir el sistema de gestión y el conector para completar la batería. Para ello, normalmente se procede como en las Figuras 1a y 1b donde ambas soluciones hacen aumentar la batería.
Por un lado, en la primera situación, se observa que se ha escogido una distribución de celdas de 5 bloques que comprenden 4 celdas cada uno, donde 20 que es el número total N de celdas y es múltiplo de 5 que son las veces que se repiten los bloques de forma idéntica. De modo que se consigue una distribución uniforme de una longitud, altura, y anchura determinados. Sin embargo, al añadir la BMS y los conectores se aumenta la longitud como en el caso a de la Figura 1a o la anchura como en el caso b de la Figura 1b.
Por otro lado, en la segunda situación ocurre lo mismo, tal como se muestra en la Figura 2, se observa que en este caso, se ha escogido una distribución de cuatro bloques con seis celdas que se repiten de forma idéntica, quedando cuatro celdas libres formando un semi-bloque. En este caso el número total N de celdas, no es múltiplo del número B de bloques y semi-bloques. Por tanto se obtiene una distribución no uniforme, de longitud, altura y anchura determinadas. Sin embargo, a pesar de comprender un semibloque al añadir la BMS y los conectores la batería aumenta en longitud o la anchura como en el caso anterior.
Por todo lo anterior, una desventaja de las bicicletas eléctricas, es que según la capacidad, voltaje y/o autonomía que se requiera para las baterías eléctricas, podrán variar el número total N de celdas y la distribución y con ello el peso, el tamaño y la forma. Por lo que, este tipo de bicicletas presentan grandes limitaciones para diseñar las baterías debido a la escasez de espacio para la integración de componentes en el cuadro de la bicicleta.
El documento US2020/0354017A1 describe un dispositivo de motor eléctrico para bicicletas con asistencia al pedaleo, que comprende un motor eléctrico y una batería insertable en el cuadro de la bicicleta y configurada para accionar el motor eléctrico.
El documento US2014/0196970A1 describe otro ejemplo de un sistema eléctrico para una bicicleta, comprendiendo el sistema un motor auxiliar integrado en el cuadro de la bicicleta y un dispositivo de almacenamiento de energía configurado como una batería.
Debido a lo anterior, es objetivo de la invención una batería con una distribución interior de las celdas optimizada y el método de optimización de la misma para la creación de baterías eléctricas más compactas y así facilitar la integración de la batería eléctrica en el cuadro de la bicicleta.
Resumen de la invención
Es objeto de la invención una batería para las bicicletas eléctricas con una distribución interior de celdas optimizada y el método de optimización de dicha batería.
De forma general, las baterías comprenden un número total N de celdas distribuidas en al menos un bloque de un número n de celdas y/o un semi-bloque de un número n' de celdas, un sistema de gestión de la batería y al menos un conector para el conexionado del sistema eléctrico. Un bloque de celdas se define al bloque compuesto por un grupo de celdas que se repite a lo largo de la distribución de la batería y un semi-bloque se define al bloque que queda incompleto tras la distribución uniforme de celdas.
La batería de la invención se caracteriza por que comprende al menos un semi-bloque adicional generado por la separación de al menos una celda del bloque o semi-bloque de un extremo de la batería. La separación de la celda desde un bloque o semi-bloque del extremo de la batería al semibloque adicional, genera en la batería de la invención al menos dos espacios. Concretamente, genera un espacio anterior en el bloque del extremo de la batería o aumenta un espacio anterior en el semi-bloque del extremo de la batería por la ausencia de al menos una celda y un nuevo espacio en el semi-bloque adicional generado por la ausencia de al menos un número n-1 celdas. Es decir, que la batería de la invención se genera por la separación de al menos una celda del último bloque o semi-bloque para generar un semi-bloque adicional con la celda separada junto con el sistema de gestión y los conectores.
La distribución interior de celdas de la batería eléctrica descrita anteriormente, presenta la ventaja de lograr una batería con una longitud total, incluyendo el sistema de gestión, conocido como BMS, y los conectores, menor que la suma de longitudes de la distribución de celdas uniforme, el sistema de gestión y los conectores por separado.
Gracias a la distribución de celdas de la invención y la generación de unos espacios en los bloques de celdas, se consigue integrar el conexionado entre los diferentes elementos en el interior de la batería por lo que queda más protegido. Además el hecho de que el conexionado se encuentre protegido y en una carcasa sellada, permite utilizar conectores de mejor calidad generando mayor durabilidad en la batería de la bicicleta eléctrica.
En resumen, esta optimización en el diseño interior de la batería eléctrica de la invención, consigue que la batería sea más compacta aportando más posibilidades en el diseño de los cuadros de las bicicletas y pudiendo realizarlos más minimalistas.
Descripción breve de las figuras
Los detalles de la invención se muestran en las siguientes figuras:
- La Figura 1 muestra una perspectiva de una batería eléctrica del estado de la técnica en una situación 1.
- Figura 1a muestra una perspectiva de una batería eléctrica del estado de la técnica en un caso a de la situación 1.
- Figura 1b muestra una perspectiva de una batería eléctrica del estado de la técnica en un caso b de la situación 1.
- La Figura 2 muestra una perspectiva de una batería eléctrica del estado de la técnica en una situación 2.
- La Figura 3 muestra en perspectiva una batería a la que se aplica la solución de optimización y la batería de la invención.
- La Figura 4 muestra la misma perspectiva de la batería de la invención de la figura 3.
Descripción detallada de la invención
La invención se refiere a una batería (1) para bicicletas eléctricas, con una distribución interior optimizada. Como se ha explicado anteriormente, según el número total N de celdas (2) que se necesite, la batería puede comprender una distribución diferente según la forma o tamaño que se requiera. Además las baterías también comprenden un sistema de gestión (4), comúnmente conocido como BMS, y unos conectores (5) para el conexionado eléctrico. Además la invención también se refiere a un método de optimización de la distribución interior de la batería (1).
En la Figura 1 y 2, se muestran dos situaciones de distribución de celdas (2) del estado de la técnica diferentes para una batería de una bicicleta eléctrica. Por un lado, la Figura 1 representa una situación 1, donde se observa una batería del estado de la técnica de un número total N de veinte celdas (2), donde se ha escogido una distribución de cinco bloques (3) idénticos de cuatro celdas (2). De manera que el número total N de celdas (2) es múltiplo del número B de bloques (3) idénticos que forman una distribución uniforme. Por otro lado, la Figura 2 muestra una situación 2, donde se observa una batería del estado de la técnica de un número total N de veintiocho celdas (2) distribuidas en cuatro bloques (3) idénticos de seis celdas (2) y un semi-bloque (3a) de cuatro celdas (2), siendo cinco el número B de bloques (3) y semi-bloques (3a). De manera que en la situación 2, el número total N de celdas (2) no es múltiplo del número B de bloques (3).
La batería (1) de la invención comprende una distribución optimizada de celdas (2) que tiene como punto de partida una distribución donde la batería (1) comprende un número total N de celdas (2) necesarias para alimentar el motor, distribuidas en un número B de bloques (3) idénticos que comprenden un número n de celdas (2) y/o en casos necesarios al menos un semi-bloque (3a) de un número n' de celdas (2). Como se puede observar en la Figuras 3 y 4, la batería (1) de la invención también comprende un sistema de gestión (4), conocido como BMS y unos conectores (5).
La distribución de celdas (2) de la batería (1) de la invención se caracteriza por que comprende al menos un semi-bloque adicional (3b), generado por al menos una celda (2) separada del bloque (3) o de un semi-bloque (3a) de un extremo (1a) de la batería (1). De manera que la batería (1) de la invención pasa a comprender al menos un número B+1 de bloques (3) y semi-bloques (3a), y al menos un número B-2 de bloques (3) idénticos. Es decir que el movimiento de al menos una celda (2) genera un semi-bloque adicional (3b) con al menos una celda (2). Es decir que el bloque (3) del extremo (1a) se convierte en un semi-bloque (3a) de al menos un número n-1 de celdas (2), cuando el números total N de celdas (2) es múltiplo del número B de bloques (3), es decir cuando la distribución de celdas (2) se encuentra en la primera situación anteriormente mencionada. En el caso de la segunda situación sin embargo, el movimiento de al menos una celda (2) genera un semi-bloque adicional (3b) con al menos una celda (2) y genera un semi-bloque (3a) del extremo (1a) en un semi-bloque (3a) de al menos un número n'-1 de celdas (2). Siendo n' el número de celdas (2) que comprende el semi-bloque (3a) del extremo (1a). Por todo lo anterior, el número total N de celdas (2) de la batería (1) puede ser o no múltiplo del número B+1 de bloques (3) y semi-bloques (3a) tras el movimiento de al menos una celda (2).
Además, la batería (1) también se caracteriza por que comprende al menos dos espacios (6, 7) en la distribución de celdas (2) generados por el movimiento de al menos una celda (2), donde el espacio anterior (6) se encuentra generado en el bloque (3) o semi-bloque (3a) del extremo (1a) por la ausencia de al menos una celda (2), mientras que el nuevo espacio (7) se encuentra en el semi-bloque adicional (3b) generado por la ausencia de al menos un número n-1 de celdas (2). De esta forma como muestran las Figuras 3 y 4, la batería (1) puede acoplar en los espacios (6, 7) el sistema de gestión (4) y los conectores (5) consiguiendo una batería (1) más compacta, es decir, con una longitud (L+l) menor que la suma de la longitud (L) de las celdas (2), más la longitud del sistema de gestión (Lg) y la longitud de los conectores (Lc) por separado.
L+l < L+Lg+Lc
Es decir que gracias a la distribución de celdas (2) mencionada, la batería (1) de la invención aumenta en menor medida al integrar todos los componentes que las baterías conocidas. Debido a que la longitud adicional (l) que aumenta es menor que la suma de las longitudes de los componentes (Lg+Lc).
Por todo lo anterior, la batería (1) permite mejorar las soluciones de integración conocidas representadas en las Figuras 1a, 1b. Concretamente, como se observa en la Figura 4, la batería (1) de la invención aumenta las dimensiones en una proporción mínima, correspondientes a la anchura del conector (ac) y la altura del conector (hc) al ser integrado en el nuevo espacio (7). Quedando la batería (1) con una altura total (h+hc) y una anchura total (a+ac) que es un incremento mínimo respecto a la altura (h) y la anchura (a) de la batería (1) con una distribución uniforme de celdas (2) más el sistema de gestión (4) y los conectores (5).
Para lograr la batería (1) de la invención debe aplicarse un método de optimización de la distribución de celdas (2) de una batería. El método se aplica sobre una batería para bicicletas eléctricas que comprenda un número total N de celdas (2) distribuidas en al menos un bloque (3) de un número n de celdas (2) y/o al menos un semi-bloque (3a) de un número n' de celdas (2). La batería de partida también necesita acoplar a la distribución de celdas (2) un sistema de gestión (4) y al menos un conector (5).
Dicho método de optimización de la distribución de la batería (1) de la invención se caracteriza por que comprende los siguientes pasos. Inicialmente, se separa al menos una celda (2) de un bloque (3) o semi-bloque (3a) de un extremo (1a) de la batería (1) y se coloca al menos una celda (2) a continuación del bloque (3) o semi-bloque (3a) del extremo (1a) generando un semi-bloque adicional (3b), como se muestra en la Figuras 3 y 4.
A continuación, se observa que el movimiento de al menos una celda (2) genera dos espacios (6, 7) en la distribución de celdas (2). Por un lado, el espacio anterior (6) se genera en el bloque (3) o semi-bloque (3a) del extremo (1a) de la batería (1), donde en la situación 1, el bloque (3) es ahora un semi-bloque (3a) por la ausencia de al menos una celda (2) desplazada hacia un semi-bloque adicional (3b) y en la situación 2 el semi-bloque (3a) aumenta el espacio anterior (6) por la ausencia de al menos una celda (2) desplazada hacia un semi-bloque adicional (3b). Por otro lado, el nuevo espacio (7) se genera en el semi-bloque adicional (3b) por la ausencia de al menos un número n-1 de celdas (2).
Por último, para completar la batería (1) de la invención es necesario un último paso adicional como acoplar el sistema de gestión (4) y los conectores (5) en la distribución de forma óptima. Para ello, se coloca el sistema de gestión (4) en el espacio anterior (6), en el semi-bloque (3a) donde anteriormente se encontraba al menos una celda (2) que ha sido desplazada y se coloca al menos parte de un conector (5) en el nuevo espacio (7) en el espacio generado en el semi-bloque adicional (3b) por la ausencia de al menos n-1 celdas (2).
Gracias al método de optimización de la distribución de celdas (2) de una batería se consigue la batería (1) de la invención caracterizada por ser más compacta, dado que la longitud ha disminuido en mayor medida de lo que ha aumentado la altura y la anchura de la batería (1). Es decir que la batería (1) cumple las siguientes relaciones:
(L+Lg+Lc) - (L+l) > (ac+a)-a;
(L+Lg+Lc) - (L+l) > (hc+h)-h.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Batería (1) para bicicletas eléctricas que comprende un número total N de celdas (2) distribuidas en una pluralidad de bloques (3) de un número n de celdas (2), un sistema de gestión (4) de baterías (1) y al menos un conector (5), donde los bloques (3) están dispuestos longitudinalmente uno tras otro entre un primer extremo (1a) de la batería (1) y un segundo extremo (1b) de la batería (1),donde la batería (1) se caracteriza por que comprende además: - un semibloque (3a) que tiene un número de celdas (2) de al menos una celda (2) menos que n y un semi-bloque adicional (3b), comprendiendo al menos una celda (2), estando el semibloque (3a) y el semibloque adicional (3b) dispuestos longitudinalmente uno tras otro en el primer extremo (1a) de la batería (1), de forma que
- la batería (1) comprende al menos un primer y segundo espacios (6, 7), donde
- el primer espacio (6) se encuentra en el semi-bloque (3a), y
- el segundo espacio (7) se encuentra en el semi-bloque adicional (3b) y donde
- el sistema de gestión (4) y el conector (5) se proporcionan en dichos espacios (6, 7).
2. Batería (1) para bicicletas eléctricas según la reivindicación 1, donde el sistema de gestión (4) se encuentra integrado en el primer espacio (6) y en parte del segundo espacio (7) y donde al menos una parte de los conectores (5) se integra en el segundo espacio (7).
3. Batería (1) para bicicletas eléctricas según la reivindicación 1, donde el semi-bloque adicional (3b) junto con los conectores (5) integrados en el primer espacio (7) comprenden una longitud (l) menor que la suma de la longitud del sistema de gestión (Lg) y la longitud de los conectores (Lc) por separado.
4. Método de optimización de una batería (1) para bicicletas eléctricas que se inicia en una batería que comprende un número total N de celdas (2) distribuidas en una pluralidad de bloques (3) de un número n de celdas (2) y opcionalmente un semi-bloque (3a) de un número n' de celdas (2), un sistema de gestión (4) de baterías (1) y al menos un conector (5), donde los bloques (3) y el semibloque (3a) están dispuestos longitudinalmente uno tras otro entre un primer extremo (1a) de la batería (1) y un segundo extremo (1b) de la batería (1), donde el método de optimización de la invención se caracteriza por que comprende los pasos de:
- separar al menos una celda (2) de un bloque (3) o semi-bloque (3a) en dicho primer extremo (1a) de la batería (1),
- colocar la celda (2) a lo largo de dicho bloque (3) o semibloque (3a) en dicho primer extremo (3a) de la batería (1) generando un semi-bloque adicional (3b),
- de forma que se generan al menos un primer y un segundo espacio (6, 7), donde el primer espacio (6) es el espacio generado en el semi-bloque (3a) en dicho primer extremo (1a) por la ausencia de al menos una celda (2) y donde el segundo espacio (7) es generado en el semibloque adicional (3b) por la ausencia de un número máximo de n-1 de celdas (2),
- proporcionar el sistema de gestión (4) en el primer espacio (6) y parte del segundo espacio (7), y
- proporcionar al menos una parte del conector (5) en el segundo espacio (7).
5. Método de optimización según la reivindicación 4, donde el número N de celdas (2) es un múltiplo del número B de bloques (3), donde el bloque (3) en el extremo (1a) de la batería (1) se convierte en un semibloque (3a) debido a dicha separación de al menos una celda (2).
6. Método de optimización según la reivindicación 4, donde el número N de celdas (2) no es un múltiplo del número B de bloques (3) y semibloques (3a), donde el semibloque (3a) inicialmente en el extremo (1a) de la batería (1) se deja como mucho con n'-1 celdas (2).
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