MX2007000128A

MX2007000128A - Sistema de bateria de alta temperatura para locomotora y veiculos para todo terreno hibridos.

Info

Publication number: MX2007000128A
Application number: MX2007000128A
Authority: MX
Inventors: Robert Dean King; Lembit Salasoo; Ajith Kuttannair Kumar
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-03-30
Also published as: RU2007104039A; US20060284601A1; EP1773619A1; ZA200700529B; JP2008505010A; AU2005270149A1; US20060001399A1; RU2388624C2; CN101010215A; BRPI0512774A; AU2005270149B2; WO2006014307A1; CN101010215B

Abstract

Se proporciona un sistema de bateria de almacenamiento electrico llevado en un vehiculo para todo terreno de energia hibrido que incluye ruedas para soportar y remover el vehiculo, un generador de energia electrica, y motores de traccion para accionar las ruedas, la energia electrica generada en el vehiculo siendo almacenada en tiempos seleccionados en el sistema de bateria de almacenamiento electrico y descargada del sistema de bateria de almacenamiento electrico para transmision a los motores de traccion para propulsar el vehiculo, el vehiculo y el sistema de bateria estando expuestos a una gama de condiciones ambientales. El sistema de bateria de almacenamiento incluye por lo menos una bateria para almacenar y liberar energia electrica, en donde al menos esa bateria genera una temperatura de operacion de bateria interna que es independiente de y excede a la temperatura ambiental mas alta del vehiculo y de al menos la bateria.

Description

SISTEMA DE BATERÍA DE ALTA TEMPERATURA PARA LOCOMOTORA Y VEHÍCULOS PARA TODO TERRENO HÍBRIDOS Derechos Gubernamentales Esta descripción fue hecha con apoyo del Gobierno bajo el Contrato No. DE-FC04-2002AL68284, otorgado por el Departamento de Energía. El Gobierno tiene ciertos derechos sobre esta descripción.

Campo de la Invención Esta invención se relaciona en general con sistemas y métodos de control para usarse en conexión con vehículos grandes, para todo terreno, tales como locomotoras, grandes excavadoras, camiones de basura, etc. En particular, esta invención se relaciona con un sistema y con un método para controlar la temperatura de una batería utilizada para el almacenamiento y transferencia de energía eléctrica, tal como la energía de frenos dinámicos o una energía motriz inicial en exceso, producida por locomotoras diesel-eléctricas y otros vehículos todo terreno, grandes accionados por motores de tracción eléctrica.

Antecedentes de la Invención La Figura 1 es un diagrama en bloque de una locomotora 100 de la técnica previa, ejemplificativa. En particular, la Figura 1 se refiere en general a una locomotora diesel-eléctrica de la técnica previa, como por ejemplo, la AC6000 o la AC4400, ambas disponibles de General Electric Transportation Systems. Como se ilustra en la Figura 1 , la locomotora 100 incluye un motor 102 diesel que activa un alternador/rectificador 104. Como se comprenderá en general en la técnica, el alternador/rectificador 1 04 proporciona la energía eléctrica DC a un inversor 1 06, el cual convierte la energía eléctrica DC en AC para hacerla adecuada para su uso por un motor 1 08 de tracción montado en un camión debajo del alojamiento principal del motor. Una configuración común de locomotora incluye un par de motor inversor/de tracción por eje. La Figura 1 ¡lustra dos inversores 1 06 con propósitos ilustrativos. En términos estrictos, un inversor convierte la energía DC en energía AC. Un rectificador convierte la energía AC en energía DC. Ei término convertidor también se utiliza algunas veces para referirse a inversores y rectificadores. La energía eléctrica abastecida de esta forma puede ser referida como energía motriz principal (o energía eléctrica primaria) y el alternador/rectificador 1 04 se puede referir como una fuente de energía motriz principal. En una aplicación de almacenamiento diesel-eléctrica AC típica, la energía eléctrica AC desde el alternador primero se rectifica (se convierte en DC) . La AC rectificada después se invierte (por ejemplo, con el uso de electrónicos como los Transistores Bipolares de Compuerta Aislada (IGBT) o tiristores que operan como moduladores de ancho de impulso) para proporcionar la forma apropiada de energía AC para el respectivo motor 108 de tracción. Como se entiende en la técnica, los motores 108 de tracción proporcionan la energía de tracción para mover la locomotora 1 00 y otros vehículos, como vehículos de carga, acoplados con la locomotora 100. Tales motores 1 08 de tracción pueden ser motores eléctricos AC o DC.

Cuando se utilizan los motores de tracción DC, la salida del alternador típicamente se rectifica para proporcionar la energía DC apropiada. Cuando se utilizan los motores de tracción, la salida del alternador típicamente se rectifica en DC y después se invierte en una AC de tres fases antes de ser suministrada a los motores 108 de tracción . Los motores 108 de tracción también proporcionan la fuerza de frenado para controlar la velocidad o para detener la locomotora 1 00. Esto comúnmente es referido como un frenado dinámico, y por lo general, se entiende en la técnica. Dicho simplemente, cuando no se necesita un motor de tracción para proporcionar la fuerza motriz, se pueden reconfigurar (a través de dispositivos de conmutación) para que el motor opere como un generador. Así configurados, el motor de tracción genera energía eléctrica que tiene el efecto de detener la locomotora. En las locomotoras de la técnica previa, tales como las locomotoras ilustradas en la Figura 1 , la energía generada en el modo de frenado dinámico típicamente, se transfiere a unas rejillas 1 10 de resistencia montadas en el alojamiento de la locomotora. De este modo, la energía de frenado dinámico se convierte en calor y se disipa del sistema. En otras palabras, la energía eléctrica generada en el modo de frenado dinámico típicamente, se desperdicia. Se debe notar que, en una locomotora DC típica de la técnica previa, las rejillas de frenado dinámico se conectan con los motores de tracción. En una locomotora AC típica de la técnica previa, sin embargo, las rejillas de frenado dinámico se conectan con la barra conductora 1 12 de tracción DC ya que cada motor de tracción normalmente se conecta con la barra conductora por medio de un inversor asociado (consultar Figura 1 ) . Para evitar el desperdicio de energía, los sistemas de locomotora de energía híbridos se desarrollaron para incluir sistemas 1 14 de captura y almacenamiento de energía para capturar y regenerar por lo menos una porción de la energía eléctrica de frenado dinámico generada cuando los motores de tracción de la locomotora operan en un modo de frenado dinámico. El sistema 1 14 de captura y almacenamiento de energía no solamente captura y almacena la energía eléctrica generada en el modo de frenado dinámico de la locomotora, también suministra la energía almacenada para ayudar al esfuerzo de la locomotora (es decir, para complementar y/o reemplazar la energía motriz principal). El sistema 1 14 de captura y almacenamiento de energía de preferencia, incluye por lo menos uno de los siguientes sub-sistemas 1 16 de almacenamiento para almacenar la energía eléctrica generada durante el modo de frenado dinámico, un sub-sistema de batería, un sub-sistema de volante, o un subsistema ultra-capacitor y un convertidor 1 1 8. Son posibles otros subsistemas de almacenamiento. Este almacenamiento y reutilización de la energía mejora las características de funcionamiento (eficiencia del combustible, caballos de fuerza, emisiones, etc.) de la locomotora. Los vehículos y sistemas de vehículos todo terreno y locomotoras híbridos se describen en las Patentes de Estados Unidos Nos. 6,591 ,758; 6,612,245; 6,612,246 y 6,615, 1 18 y las Solicitudes de Patente de Estados Unidos Nos. 1 0/378,335; 10/378,431 y 10/435,261 , todas ellas cedidas al cesionario de la presente invención, y cuyos contenidos se incorporan aquí como referencia.

Estos vehículos tienen que operar sobre un amplio rango de condiciones ambientales, incluyendo variaciones de temperatura. El rango típico de temperatura ambiental es de -40°C a +50°C, algunas aplicaciones varían de -50°C a +60°C. Uno de los dispositivos 1 16 de almacenamiento de energía empleados en tales vehículos son las baterías de diferentes tipos, por ejemplo, de plomo-ácido, de cadmio de níquel, de iones de litio, de híbridos de metal níquel, etc. El funcionamiento de la batería depende mucho de su temperatura interna. Por ejemplo, la batería de níquel-cadmio solamente necesita ser degradada cuando la temperatura de batería esté sobre 40°C o cuando está por debajo de 0°C, y necesita (ser casi inoperante en algunos casos) degradarse por debajo de -20°C y sobre 55°C. Una vez que una porción importante de la operación de la locomotora está dentro de este intervalo, el tamaño de la batería necesita aumentarse mucho o se debe limitar drásticamente su uso durante esta operación de temperatura. Además, la vida de la batería también se ve afectada. De manera similar, otros tipos de batería tienen diferentes capacidades operativas de temperatura. Estas baterías típicamente se enfrían con aire forzado y algunas veces, mediante enfriamiento líquido (por ejemplo, sistemas hidrónicos) y el líquido en sí después se enfría con aire. Ya que el intervalo de temperatura del aire ambiental es amplio para operar las baterías en su funcionamiento óptimo, ya sea que el aire de enfriamiento necesita ser acondicionado o ajustado en su desempeño, por ejemplo, degradación de las baterías. Durante la operación a baja temperatura, el aire necesita calentarse antes de enfriar la batería con el fin de evitar que la temperatura caiga demasiado bajo o que se requiera la degradación. Además, para que el flujo de aire de enfriamiento proporcione una acción de enfriamiento directamente o a través de un circuito de enfriamiento hidrónico intermedio para la batería de almacenamiento de energía híbrido, la temperatura del flujo de aire debe estar por debajo de la temperatura de la batería. Ya que el intervalo de las temperaturas del aire ambiental que las locomotoras y otros vehículos todo terreno deben operar tan alto como a 60°C, la operación del vehículo híbrido de alta temperatura ambiental, presenta un reto para la mayoría de las tecnologías de almacenamiento de energía. Ya sea que el aire de enfriamiento necesita ser pre-enfriado o se degrade el funcionamiento de la batería. Estas operaciones y sistemas de enfriamiento/calentamiento son complejos y añaden costos/peso/tamaño. Por lo tanto, existe la necesidad de una batería y sistema de alta temperatura para locomotoras y para vehículos todo terreno para que operen en un amplio intervalo de temperaturas que no requieran pre-enfriamiento dei aire de enfriamiento y que el sistema tenga la capacidad de controlar una temperatura de la batería para asegurar un funcionamiento óptimo.

Breve Descripción de la Invención Un sistema de batería de almacenamiento eléctrico llevada en un vehículo todo terreno de energía híbrido, incluye ruedas para dar soporte y mover el vehículo, un generador de energía eléctrica y motores de tracción para accionar las ruedas, con la energía eléctrica generada en el vehículo y almacenada en tiempos seleccionados en el sistema de batería de almacenamiento eléctrico y descargada del sistema de batería de almacenamiento eléctrico para su transmisión a los motores de tracción para impulsar el vehículo, con el vehículo y el sistema de batería expuestos a una variedad de condiciones ambientales. El sistema de batería de almacenamiento incluye por lo menos una batería para almacenar y liberar la energía eléctrica, en donde la por lo menos una batería genera una temperatura operativa de batería interna que excede la temperatura ambiental más alta del vehículo. En otro aspecto de la presente invención, el sistema de batería de almacenamiento eléctrico llevada en un vehículo todo terreno de energía híbrido, incluye ruedas para dar soporte y mover el vehículo, un generador de energía eléctrica y motores de tracción para accionar las ruedas, con la energía eléctrica generada en el vehículo y almacenada en tiempos seleccionados en el sistema de batería de almacenamiento eléctrico y descargada del sistema de batería de almacenamiento eléctrico para su transmisión a los motores de tracción para impulsar el vehículo, con el vehículo y el sistema de batería expuestos a una variedad de condiciones ambientales, el sistema de batería de almacenamiento eléctrico incluye por lo menos una batería para almacenar y liberar la energía eléctrica, con la batería que opera a una temperatura interna de batería, para su almacenamiento y liberación efectivos de la energía eléctrica, el cual constituye una temperatura de batería efectiva, que está sobre las temperaturas ambientales del vehículo y el sistema de batería, y con el enfriamiento de batería a una temperatura más baja que su temperatura interna operativa efectiva cuando el vehículo está fuera de servicio por un período prolongado de tiempo, un monitor para detectar un parámetro indicativo de la temperatura interna de la batería y un controlador para controlar el calentamiento de la restitución de batería a su temperatura efectiva de batería cuando la temperatura interna de la batería caiga por debajo de un nivel predeterminado, para que la batería quede lista para operar efectivamente cuando el vehículo se regresa a la operación.

Breve Descripción de los Dibujos Los anteriores y otros aspectos, características y ventajas de la presente invención serán evidentes a la luz de la siguiente descripción detallada cuando se toma junto con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Figura 1 es un diagrama en bloque de un sistema de propulsión de locomotora híbrido convencional. La Figura 2 es un diagrama en bloque de una modalidad de un sistema de propulsión de energía híbrido de la presente invención. La Figura 3 es un diagrama en bloque de un sistema de control de batería. La Figura 4A es un diagrama en bloque de un sistema de enfriamiento de motor hidrónico convencional. Las Figuras 4B-4D son diagramas en bloque de sistemas de enfriamiento convencional de conformidad con los principios de la presente invención. La Figura 5A es un diagrama en bloque de un sistema de enfriamiento de aire convencional; y Las Figuras 5B-5I son diagramas en bloque de sistemas de enfriamiento de aire de conformidad con los principios de la presente invención.

Descri pción Detallada de la Invención Las modalidades preferidas de la presente invención serán descritas a continuación con referencia a los dibujos acompañantes. En la siguiente descripción, las funciones o construcciones bien conocidas no se describen con detalle para evitar confusiones en la descripción. Se proporcionan una batería, un sistema de control de batería y un método para usarse en locomotoras y vehículos todo terreno. El sistema y método de la presente invención utilizan baterías que operan a altas temperaturas internas, por ejemplo, una batería de cloruro de sodio-níquel, que opera a temperaturas sobre los 270°C o como otro ejemplo, una batería de sulfuro de sodio que puede operar a temperaturas sobre los 350°C. Estas baterías utilizan una reacción química, por ejemplo, una reacción exotérmica, para almacenar y liberar la energía o potencia eléctrica. La reacción exotérmica genera una temperatura operativa interna que es independiente y excede la temperatura ambiental más alta del vehículo. Al utilizar una batería de alta temperatura en un vehículo todo terreno híbrido, no se requiere el pre-enfriamiento del aire de enfriamiento necesario para la batería de almacenamiento de energía híbrido (incluso bajo las condiciones más calientes de temperatura de aire ambiental) Las tecnologías de batería convencional tienen que ser degradadas bajo las condiciones más calientes de temperatura del aire ambiental , o requieren cierto pre-enfriamiento del aire utilizado para el rechazo de calor, bajo las condiciones más calientes de temperatura de aire ambiental. Las baterías convencionales tienen la capacidad de operar por cortos períodos de tiempo a temperaturas de 50°C y necesitan operarse a menos que aproximadamente 35°C para alcanzar el alcance de vida propuesto por el fabricante. Aunque estas baterías de alta temperatura necesitan calentarse inicialmente, siempre que estén en operación, las baterías mantendrán una alta temperatura. Una vez que las baterías están en operación, necesitarán de enfriamiento. Cualquier batería que opera sobre la temperatura ambiental operativa de las locomotoras puede enfriarse efectivamente con el aire ambiental de enfriamiento disponible, ya sea en forma directa o a través de un líquido o una interfaz de sumidero de calor, y por lo tanto, el aire ambiental no requiere de pre-enfriamiento. Con ventaja, no se requiere el enfriamiento del aire o de un líquido (por ejemplo, refrigerante), y al mismo tiempo, no se requiere la degradación de la batería durante un intervalo alto de temperatura operativa. El medio de enfriamiento y el circuito/sistema de enfriamiento que se utiliza junto con el sistema de control de batería de la presente invención está integrado en los sistemas de vehículo. Ya que solamente se requiere el enfriamiento de la batería (típicamente) cuando el vehículo produce energía (por ejemplo, el arranque y el frenado) y ya que otras funciones de tracción y control también funcionan durante ese período, los requerimientos de enfriamiento del sistema de tracción/auxiliar pueden también integrarse. Por ejemplo, el aire de enfriamiento se puede extraer del soplador de enfriamiento del motor de tracción. Ya que la batería corre a altas temperaturas (250-350°C), la batería se puede enfriar por aire pre-calentado (es decir, el aire que ha enfriado otros componentes, tales como los electrónicos de energía, el alternador de tracción, los motores de tracción, el radiador, el equipo auxiliar, etc.) y por lo tanto el sistema de enfriamiento se puede simplificar. También es posible integrar el enfriamiento de la batería con el sistema de agua del radiador del motor con el uso del agua como el medio de enfriamiento. A continuación se describen varios sistemas de enfriamiento de aire/agua. La Figura 2 es un diagrama en bloque a nivel del sistema que ilustra los aspectos de un sistema 200 de control de batería de la presente invención. En particular, la Figura 2 ilustra un sistema 200 de control de batería apropiado para usarse con un sistema de locomotora de energía híbrido, como un sistema 100 de locomotora de energía híbrido, mostrado en la Figura 1 . Sin embargo, se debe entender que el sistema 200 de control de batería ilustrado en la Figura 2 también es apropiado para usarse con vehículos todo terreno grandes. Tales vehículos incluyen, por ejemplo, grandes excavadoras, camiones de basura y sus semejantes. Como otro ejemplo, tales camiones de basura pueden emplear ruedas motorizadas como las ruedas motorizadas GEB23 TM, de AC, las cuales emplean el sistema de accionamiento GE150AC TM (ambos disponibles para el cesionario de la presente invención). Por lo tanto, aunque la Figura 2 se describe generalmente con respecto a un sistema de almacenamiento, el sistema 200 de control de batería ilustrado ahí no se debe considerar como limitado a las aplicaciones de almacenamiento. Como se ilustra en la Figura 2, un motor 102 diesel acciona una fuente 104 de energía motriz principal (por ejemplo, un convertidor de alternador/rectificador). La fuente 104 de energía motriz principal de preferencia, suministra energía DC a un inversor 1 06, el cual proporciona energía AC de tres fases a un motor 108 de tracción de la locomotora. Sin embargo, se debe entender que el sistema 200 ilustrado en la Figura 2 se puede modificar para operar con motores de tracción DC. De preferencia, existe una pluralidad de motores de tracción (por ejemplo, uno por eje) y cada eje se acopla con una pluralidad de ruedas 109 de la locomotora. En otras palabras, cada motor de tracción de la locomotora, de preferencia, incluye una flecha giratoria acoplada con el eje asociado para proporcionar la fuerza de tracción a las ruedas. De este modo, cada motor 108 de tracción de la locomotora proporciona la fuerza motriz necesaria para una pluralidad asociada de ruedas de la locomotora 109 para provocar que la locomotora se mueva. Cuando los motores 108 de tracción se operan en un modo de frenado dinámico, por lo menos una porción de la energía eléctrica generada se enruta a un medio de almacenamiento de energía, como una batería 204. Para ese fin, esa batería 204 no tiene la capacidad de recibir y/o almacenar toda la energía de frenado dinámico, de preferencia, la energía en exceso se enruta a las rejillas 1 1 0 de frenado, para su disipación como energía de calor. También, durante períodos en donde el motor 102 opera en un modo que proporciona más energía de la necesaria para activar los motores 108 de tracción, la capacidad en exceso (también referida como energía eléctrica motriz principal en exceso) puede almacenarse, opcionalmente en la batería 204. De conformidad con esto, la batería 204 se puede cargar en tiempos diferentes a cuando los motores 1 08 de tracción están operando en el modo de frenado dinámico. Este aspecto del sistema se ¡lustra en la Figura 2 con una línea 201 punteadas, en donde el inversor 106 es controlado como un convertidor DC/DC (no ¡lustrado en la Figura 2). La batería 204 de la Figura 2, de preferencia se construye y arregla para aumentar en forma selectiva la energía provista a los motores 1 08 de tracción o en forma opcional, para arrancar los motores de tracción separados asociados con un vehículo tender de energía separada o un vehículo de carga. Tal energía puede ser referida como energía eléctrica secundaria y se deriva de la energía eléctrica almacenada en la batería 204. De este modo, el sistema 200 ilustrado en la Figura 2 es apropiado para usarse junto con una locomotora que tiene un medio de almacenamiento de energía a bordo y/o con un vehículo captador de energía separado. El sistema 200 incluye un sistema 202 de control de batería para controlar las diferentes operaciones asociadas con la batería 204, tal como controlar una temperatura de la batería y/o la carga/descarga de la batería. La Figura 2 también ilustra una fuente 203 opcional de energía que de preferencia, se controla por el sistema 202 de control de batería. La fuente 203 opcional de energía puede ser un segundo motor (por ejemplo, el motor de carga u otra locomotora) o una fuente de energía completamente separada (por ejemplo, una fuente de energía adyacente como un cargador de batería) para cargar la batería 204. En una modalidad preferida, la fuente 203 opcional de energía se conecta con una barra conductora de tracción (no ilustrada en la Figura 2) que también lleva la energía eléctrica primaria desde la fuente 104 de energía motriz principal. Como se ilustra en la Figura 3, el sistema 202 de control de batería de preferencia, incluye un procesador 206 de control de batería y una base de datos 208. El procesador 206 de control de batería determina varias condiciones ambientales por ejemplo, la temperatura ambiental de la batería y utiliza esta información ambiental para localizar datos en la base de datos 208 para calcular la temperatura interna de la batería. Ya que se debe entender que tal información de la base de datos puede ser provista por una variedad de fuentes, incluyendo, una base de datos a bordo asociada con el procesador 206, un sistema de comunicación (por ejemplo, un sistema de comunicación inalámbrica), proporcionar la información desde la fuente central, una entrada manual del operador, a través de uno o más dispositivos de señalización adyacentes, o una combinación de tales fuentes y sus similares. Por último, también se puede incluir otra información del vehículo, tal como el tamaño y peso del vehículo, la capacidad de energía asociada con la fuerza motriz principal, las tasas de eficiencia, la velocidad presente y anticipada, la carga eléctrica presente y anticipada y demás que pueden incluirse en la base de datos (o suministrarse en tiempo real o casi real) y se pueden utilizar por el procesador 206 de control de batería. La temperatura interna de la batería se utiliza para varias decisiones de control, entre las que se incluyen los límites de carga y descarga y para decidir si se debe arrancar el motor para recalentarse o permitir que se congele, etc. Por lo general, la temperatura interna de la batería es difícil de medir debido a la complejidad y costos del sensor. Además, el procesador 206 de control de batería de la presente invención calcula la temperatura interna de la batería con el uso de modelos térmicos almacenados en la base de datos 208. Los modelos térmicos están con base en varias entradas incluyendo temperatura del caso de batería potencial, temperatura/presión ambiental , historial de tiempo de la corriente de carga/descarga de la batería e historial del tiempo de la operación de ventiladores de enfriamiento de la batería (temperatura/flujo del enfriamiento) . Estas entradas se utilizan para calcular la temperatura interna de las celdas de la batería dentro de un módulo de batería. La temperatura interna de la batería proyectada de todos los módulos de batería se puede utilizar para comparar las mediciones de temperatura real dentro de un módulo seleccionado para su comparación con el modelo térmico. Cuando la temperatura proyectada se aparta por XX grados C, de la temperatura medida, se puede tomar la acción apropiada (como la degradación, aviso al operador, mantenimiento programado, etc.). Cuando la temperatura proyectada se aparte por YY grados C de la temperatura medida, en donde YY>CC, por ejemplo, el valor de XX puede ser aproximadamente 5 grados C), mientras el valor de YY puede ser aproximadamente 10 grados C), se pueden tomar otras medidas restrictivas. Esto puede incluir inhabilitar la operación de la batería. El modelo térmico de batería utiliza los valores detectados en forma externa de la batería actual, el voltaje de la batería, SOC sumado que se computa de una hora amperio integrada neta. Además, el historial y tendencia del uso reciente de la batería durante la carga y descarga- de batería en el vehículo se utiliza como parte del modelo para proyectar la temperatura de batería presente. Además, la resistencia a través de las terminales de la batería se pueden utilizar para determinar el modelo de temperatura y/o la resistencia a un SOC específico. Las características, con base en pruebas de celda en el laboratorio a varias temperaturas se utilizan para desarrollar el modelo inicial. Los resultados de los modelos térmicos iniciales se comparan con la temperatura real de batería detectada para los ciclos representativos de carga y descarga. La refinación del modelo se hace con base en los resultados de pruebas en laboratorio. Una vez que se determina el modelo térmico para la batería, el procesador 206 de la batería adquirirá varios parámetros del sistema, por ejemplo, el sistema 222 de enfriamiento hidrónico y el sistema 224 de enfriamiento de aire, y el control de varios dispositivos en los sistemas para controlar la temperatura de la batería 204. El medio de enfriamiento se puede control de tal forma que en sistemas con múltiples unidades de batería paralelas, la temperatura de cada componente es controlada dentro de un límite predeterminado. La operación paralela de las unidades individuales de batería por lo general es requerida para obtener las energías de descarga y recarga de batería suficientes para las aplicaciones de locomotora y de vehículos todo terreno. Esto se puede alcanzar con varias técnicas incluyendo reguladores del sistema de temperatura/enfriamiento independientes así como se describirá más adelante. Con referencia a la Figura 4A, se muestra un sistema 400 de enfriamiento del motor hidrónico convencional. Tal sistema por lo general, incluye un tanque 402 de agua para alojar agua u otro medio de enfriamiento, por ejemplo, un refrigerante, una bomba 404 de agua para bombear el refrigerante a través del sistema, y un casquillo 406 de agua en el motor, el cual enfría el motor al circular refrigerante alrededor del motor. Un sensor 412 de temperatura ubicado en la línea de descarga del casquillo de agua determinará si el refrigerante está sobre una temperatura predeterminada, y cuando es así, colocará la válvula 408 para circular el refrigerante a través del radiador 410. De otra forma, se permitirá que el refrigerante fluya directamente de regreso al tanque 402 de agua. Las Figuras 4B a la 4D ilustran sistemas de enfriamiento hidrónico de conformidad con los principios de la presente invención. En los sistemas de enfriamiento hidrónico, la batería 204 de alta temperatura puede incluir un casquillo de agua para enfriar o disminuir la temperatura de la batería. En la Figura 4B, una vez que el procesador 206 de batería ha determinado la temperatura interna de la batería, el procesador 206 adquirirá la temperatura del refrigerante en el sensor 412. Cuando la batería 204 requiere el enfriamiento, el procesador enviará una primera y segunda señales de control a las válvulas 408, 414, respectivamente, para dividir una porción del flujo de refrigerante a la batería. Se debe apreciar que las válvulas 408 y 412 pueden ser una válvula de 3 vías única. Cuando la batería 204 ha alcanzado una temperatura satisfactoria, el procesador 206 controlará las válvulas 408, 414 para tener un flujo completo de refrigerante para el radiador 410. La Figura 4C es otra modalidad de un sistema de enfriamiento hidrónico utilizado junto con el sistema de control de batería de la presente invención. En la Figura 4C; el refrigerante se divide por la válvula 414 a la batería 204 antes de enfriar el motor a través del casquillo 406 de agua del motor. Aquí, el refrigerante que hace contacto con la batería tendrá una menor temperatura que la mostrada en la Figura 4B, y podrá proporcionar una mayor proporción de enfriamiento. Además, el sistema hidrónico de la Figura 4C incluirá un sensor 416 de temperatura para usarse por el procesador 206 para determinar si hay refrigerante disponible para enfriar la batería. La Figura 4D muestra otra modalidad de un sistema de enfriamiento hidrónico utilizado junto con el sistema de control de batería de la presente invención. Una segunda bomba 41 8 de agua se configura para proporcionar una capacidad adicional a la batería 204. El sensor 420 de temperatura transmitirá una señal de temperatura al procesador 206 para permitir que el procesador determine si hay refrigerante disponible para el enfriamiento. El sensor 422 de temperatura detectará la temperatura del refrigerante después de que se descarga de la batería y el procesador utilizará esta temperatura para determinar si el refrigerante de descarga necesita ser enfriado a través del radiador 410 o puede enviarse de regreso al tanque 402 de agua. Con base en esta determinación, el procesador 206 controlará la válvula 414 en la posición apropiada. Con referencia a la Figura 5A; se il ustra un sistema 500 de enfriamiento de aire forzado convencional. Tal sistema por lo general, incluye una pluralidad de ductos 502 de aire para conducir el aire acondicionado, ambiental o exterior a varios componentes del sistema 500. El soplador 504 extrae el aire OA exterior a través de una pluralidad de pantallas y filtros 506 y suministra el aire exterior OA a varios componentes del sistema, tales como los electrónicos 508 de energía, el alternador 510, etc., para enfriar estos componentes. Se pueden emplear filtros 512 adicionales cuando el aire exterior OA es suministrado a la cabina del operador o a los electrónicos 514 sensibles. Además, los sopladores 518 adicionales con pantallas y filtros 516 correspondientes suministrarán aire para enfriar directamente los motores 520. Las Figuras 5B a la 51 ilustran sistemas de enfriamiento de aire forzado de conformidad con los principios de la presente invención. En la Figura 5B, el aire se conduce desde el escape del alternador 510 a la batería 204. En la Figura 5C; el aire se conduce directamente desde el lado de descarga del soplador 504 a la batería 204, y en la Figura 5C, el aire descargado de la batería 204 se recupera y se conduce de regreso para enfriar el alternador 510. En la Figura 5E; la batería 204 se conduce entre los electrónicos 508 de energía y el alternador 510, y en la Figura 5F, la batería 204 recibe el aire de descarga desde los electrónicos de energía como en la Figura 5E, pero simplemente descarga el aire después del enfriamiento de la batería. La Figura 5G ilustra una configuración en donde el OA o el aire ambiental es suministrado directamente a las baterías 204. Esta configuración es ventajosa cuando se desea un máximo enfriamiento por ejemplo, en los climas más calientes. Ya que el aire que alcanza las baterías 204 no está pre-calentado, las baterías alcanzarán un diferencial máximo de temperatura. Una configuración similar se muestra en la Figura 5H . Aquí, las cajas de batería paralelas se alimentan desde un soplador 530 único y se controlan en forma independiente a través del sistema de control de la batería. El procesador de la batería determinará la temperatura de batería como se describe antes y adquirirá la temperatura de descarga del soplador a través del sensor 532 de temperatura. Con base en la temperatura de la batería y la temperatura de descarga del soplador, el procesador de la batería controlará los amortiguadores 534, 536 para proporcionar la cantidad apropiada de aire para enfriar las baterías. En otra modalidad mostrada en la Figura 51 , el aire calentado por ia batería se puede utilizar para calentar la cabina de la locomotora. El procesador 206 de la batería adquirirá la temperatura en la cabina del operador a través de un sensor 540 de temperatura ambiental, y la temperatura de descarga de la batería a través del sensor 542 de temperatura. El procesador 206 de batería entonces determinará si el aire de descarga de batería se puede utilizar para calentar la cabina dei operador y cuando es así, controlará el amortiguador 544 para dividir el aire de descarga a la cabina del operador a través de pantallas y filtros apropiados. De manera alternativa, el aire de descarga será dirigido a un intercambiador de calor acoplado con el sistema de calentamiento hidrónico, para que no ocurran transferencias directas de aire. Se debe apreciar que las Figuras 5B a la 51 son solamente configuraciones ejemplificativas de los sistemas de enfriamiento de aire utilizados junto con el sistema de control de batería para controlar la temperatura de la batería y que son posibles muchas otras configuraciones. También se debe apreciar que el sistema de enfriamiento de batería puede ser un sistema de enfriamiento hidrónico independiente, un sistema de enfriamiento de aire independiente o un sistema combinado de hidrónico y enfriamiento de aire. La temperatura interna de la batería también se utilizará para controlar las tasas de carga y descarga, además del estado tradicional de carga (SOC) . Cuando la temperatura interna de la batería está dentro de un intervalo operativo de temperatura definida, por ejemplo, una temperatura interna de >T1 , pero < que T2, el procesador de la batería permitirá la descarga dado que el voltaje de la terminal de la batería y el estado de carga (SOC) están sobre los límites predeterminados. De manera similar, cuando la temperatura interna es > que T3, pero < que T4, el procesador de la batería permitirá una corriente de recarga, dado que el voltaje de terminal de batería y el estado de carga (SOC) están por debajo de los límites predeterminados. Un ejemplo es para que el procesador de la batería permita la descarga cuando T1 y T2 son de 270°C y 350°C, respectivamente. En otro ejemplo, la recarga a una alta tasa predeterminada es permitida cuando T3 y T4 son 270°C y 320°C, respectivamente, y el valor de SOC es menor que el 70% de la carga completa de la batería. En otro ejemplo, la recarga a una tasa baja predeterminada es permitida cuando T3 y T4 son de 270°C y de 340°C, respectivamente, y el SOC es menor que el 100%. En estos ejemplos SOC se computa de una manera convencional, incluyendo la integración de la corriente de batería para determinar las horas amperio netas dentro y fuera de la batería. Las locomotoras y los vehículos todo terreno se utilizan durante una porción importante del día/año. Sin embargo, durante períodos de suspensión, la temperatura interna de la batería debe mantenerse sobre un límite predeterminado. El sistema 202 de control de batería de la presente invención interactuará con varios sub-sistemas para asegurar que la batería permanezca templada, es decir, se quede sobre el límite de temperatura predeterminado. Durante los períodos en donde el motor se apaga, y la temperatura de la batería alcanza los límites bajos de temperatura predeterminados, el sistema de control de batería puede enviar una señal para reiniciar el motor hasta que la batería se cargue a un estado alto definido de carga, para que la batería se pueda mantener templada. Ya que la locomotora se apaga solamente por períodos cortos de tiempo, este método de recalentamiento de la batería se utiliza poco. El sistema de control de la batería puede instruir al motor/alternador o a la fuente auxiliar de energía 203 para proporcionar energía eléctrica para cargar la batería, puede instruir al motor/alternador o a la fuente 203 auxiliar para proporcionar energía eléctrica a los elementos de calentamiento eléctricos dentro de la batería o a través de una serie de interruptores, y puede utilizar las terminales de energía DC de la batería para energízar los elementos de calentamiento eléctrico. Además, los gases calientes de escape del motor pueden proporcionar el calentamiento de la batería.

Después de una suspensión prolongada debida a eventos no programados (por ejemplo, mantenimiento exhaustivo) , las baterías se pueden calentar con el uso de medios externos. Por ejemplo, las baterías también pueden mantenerse calientes por una energía DC/AC externa con un control apropiado a través del procesador de batería. Como otro ejemplo, pueden emplearse elementos de calentamiento eléctrico incrustados en la batería o se pueden utilizar los elementos de calentamiento en el vehículo en sí, por ejemplo, las rejillas de frenado dinámico. Como otra alternativa, la energía eléctrica se puede aplicar a las terminales de batería en una forma para crear muchas pérdidas internas en la batería, por ejemplo, a través de la carga seguida por una alta descarga, lo cual calentará la batería. También es posible prolongar este período de tiempo al mantener las baterías templadas con aislamiento/técnicas de manejo térmico (control de temperatura del enfriamiento como las antes descritas. Durante largos períodos de inactividad de la batería de la locomotora o del vehículo todo terreno, es decir, en un período de mantenimiento, la temperatura de la batería puede caer cerca de su temperatura de congelamiento interno de electrolitos, el procesador 206 de batería tomará la decisión si debe utilizar la energía interna de la batería para calentar la batería o permitir que la batería se congele con base en las variables adquiridas, por ejemplo, los sensores de temperatura o la información introducida por el operador, por ejemplo, el tiempo de suspensión. Es conocido que la locomotora no operará más temprano que el tiempo especificado como 7 días, el procesador de la batería permitirá que la batería se congele. Cuando se espera que la locomotora opere más temprano que el tiempo especificado, el procesador de la batería permitirá, por ejemplo, que la fuente 203 de energía adicional caliente eléctricamente las baterías para mantenerlas a una temperatura operativa. Mientras la invención ha sido descrita e ilustrada en varias modalidades típicas, no se tiene la intención de limitarse a los detalles mostrados, ya que se pueden realizar varias modificaciones y sustituciones sin apartarse del alcance de la presente invención. Como tal, las modificaciones y equivalentes de la descripción aquí descrita pueden ser contempladas por las personas experimentadas en la técnica, con el uso de no más que la experimentación de rutina y se cree que todas las modificaciones y equivalentes están dentro del espíritu y del alcance de la invención como se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . Un sistema de batería de almacenamiento eléctrico llevada en un vehículo todo terreno de energía híbrido que incluye ruedas para dar soporte y mover el vehículo, un generador de energía eléctrica y motores de tracción para activar las ruedas, la energía eléctrica generada en el vehículo se almacena en tiempos seleccionados en el sistema de batería de almacenamiento eléctrico y se descarga del sistema de batería de almacenamiento eléctrico para su transmisión a los motores de tracción para impulsar el vehículo, el vehículo y el sistema de batería están expuestos a una variedad de condiciones ambientales, el sistema de batería de almacenamiento está caracterizado porque comprende: por lo menos una batería para almacenar y liberar energía eléctrica; en donde por lo menos una batería genera una temperatura operativa interna de la batería que excede a la máxima temperatura ambiental del vehículo.

2. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el vehículo es una locomotora ferroviaria.

3. El sistema de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema de almacenamiento de batería está dispuesto en una locomotora captadora acoplada con la locomotora.

4. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque la temperatura operativa interna de la batería es aproximadamente 270°C a aproximadamente 350°C.

5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 . caracterizado porque la por lo menos una batería se selecciona del grupo que consiste de batería de cloruro de níquel-sodio o una batería de sulfuro-sodio.

6. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque además comprende: un procesador para determinar por lo menos un parámetro asociado con la por lo menos una batería; y una base de datos para almacenar una pluralidad de modelos térmicos para la por lo menos una batería, en donde el procesador selecciona por lo menos un modelo térmico con base en el por lo menos un parámetro asociado con la batería.

7. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el modelo térmico es indicativo de una temperatura interna de la batería.

8. El sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el por lo menos un parámetro asociado con la batería es una temperatura de caso interno de batería potencial, una temperatura/presión ambiental, el historial de tiempo de carga de batería/corriente de descarga y el historial de tiempo de la operación de los ventiladores de enfriamiento de la batería (temperatura/flujo del refrigerante).

9. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la batería comprende una pluralidad de celdas de batería.

10. El sistema de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque además comprende por lo menos un sensor de temperatura para detectar la temperatura de por lo menos una de la pluralidad de celdas de batería. 1 1 . El sistema de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque el procesador compara la temperatura detectada desde el por lo menos un sensor de temperatura con el modelo térmico seleccionado. 12. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el vehículo también comprende un sistema de enfriamiento para disipar el calor generado del equipo operativo en el vehículo, en donde la por lo menos una batería se coloca para ser parte del sistema de enfriamiento del vehículo para disipar el calor de la por lo menos una batería. 13. El sistema de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque el sistema de enfriamiento entrega aire de enfriamiento a la batería. 14. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 2, caracterizado porque el sistema de enfriamiento entrega un refrigerante líquido a la batería. 1 5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el calor generado desde la por lo menos una batería entrega aire de calentamiento a la cabina del operador. 1 6. Un sistema de batería del almacenamiento eléctrico llevado en un vehículo todo terreno de energía híbrido, el cual incluye ruedas para dar soporte y mover el vehículo, un generador de energía eléctrica y motores de tracción para activar las ruedas, con la energía eléctrica generada en el vehículo a ser almacenada en tiempos seleccionados en el sistema de batería de almacenamiento eléctrico y descargada del sistema de batería de almacenamiento eléctrico para su transmisión a los motores de tracción para impulsar el vehículo, con el vehículo y el sistema de batería expuestos a una variedad de condiciones ambientales, el sistema de batería de almacenamiento eléctrico está caracterizado porque comprende: por lo menos una batería para almacenar y liberar energía eléctrica, con la batería que opera a una temperatura interna de batería para su almacenamiento y liberación efectivos de energía eléctrica, constituye una temperatura efectiva de batería que está sobre las temperaturas ambientales del vehículo y del sistema de batería y con el enfriamiento de batería a una temperatura menor que su temperatura operativa interna efectiva cuando el vehículo está fuera de servicio por un período de tiempo prolongado; un monitor para detectar un parámetro indicativo de la temperatura interna de la batería; y un controlador para controlar el calentamiento de la batería de regreso a su temperatura efectiva de batería cuando la temperatura interna de la batería cae por debajo de un nivel predeterminado, para que la batería quede lista para operar efectivamente cuando el vehículo se regresa a la operación. 17. El sistema de batería de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende una fuente de energía eléctrica conectada con la batería y en donde el controlador dirige la entrada de energía a la batería para calentar la batería a una temperatura interna deseada. 1 8. El sistema de batería de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque además comprende un calentador externo que rodea por lo menos una porción de la batería, y en donde el controlador controla el calentador para calentar la batería a una temperatura interna deseada. 1 9. El sistema de batería de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el parámetro monitoreado de la batería se selecciona del grupo que comprende la temperatura exterior de la batería, el estado de carga de la batería, el historial de temperatura del aire y el historial de carga y descarga de la batería. 20. El sistema de batería de almacenamiento eléctrico de conformidad con la reivindicación 1 6, caracterizado porque el calor generado desde por lo menos una batería entrega aire de calentamiento a la cabina del operador.