MX2013003209A - Sistemas y metodos para carga rapida equivalente con diferentes configuraciones de almacenamiento de energia. - Google Patents

Sistemas y metodos para carga rapida equivalente con diferentes configuraciones de almacenamiento de energia.

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MX2013003209A
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battery
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Abstract

La invención provee un sistema de almacenamiento de energía que tiene una primera pluralidad de celdas de batería que cada tienen capacidad de una primera velocidad C. La pluralidad de celdas de batería pueden ser cargadas a una velocidad equivalente en una base de KWh/minuto simultáneamente a una segunda pluralidad de celdas de batería que tienen capacidad de una segunda velocidad C, la segunda velocidad C es más alta que la primera velocidad C. La primera pluralidad de celdas de batería pueden tener capacidad de almacenamiento de energía que es aproximadamente dos veces la capacidad de almacenamiento de energía para la segunda pluralidad de celdas.

Description

SISTEMAS Y METODOS PARA CARGA RAPIDA EQUIVALENTE CON DIFERENTES CONFIGURACIONES DE ALMACENAMIENTO DE ENERGIA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En años recientes, se han propuesto vehículos híbridos y eléctricos que son provistos con una batería y algunos de ellos han sido puestos en práctica para usar de manera efectiva la energía, en particular energía regenerativa como medidas ambientales. Comúnmente, baterías secundarias que se han puesto a la práctica que se instalado en vehículos hasta ahora incluyen por ejemplo baterías de almacenamiento de plomo, baterías de hidruro de níquel metal o baterías de ion de litio de alta potencia. Algunos vehículos eléctricos tales como carros eléctricos cargan sus baterías al enchufar el vehículo eléctrico en una estación de carga. Otros vehículos eléctricos, tales como trenes eléctricos y vagones de ferrocarril ligeros son conectados permanentemente a una fuente de energía por medio de elementos físicos en la barandilla o por medio de líneas elevadas.
Tendencias recientes en los sistemas de transportación integrados para vehículos eléctricos, tales como sistemas de autobús u otros sistemas de transportación públicos han cambiado del uso de conexiones eléctricas permanentes a vehículos eléctricos, ya que estos sistemas son una llaga en el ojo, no son populares, son costosos para instalar y mantener y pueden ser inseguros. Algunos de estos sistemas no permiten que un vehículo eléctrico funcione independiente de una línea de barandilla o línea elevada. La velocidad de carga puede ser muy pertinente para un vehículo de uso pesado, tal como un autobús, que puede ser recargado regularmente en cuadros de tiempo pequeños. Los sistemas de transporte integrados más recientes pueden usar estaciones de carga fijas para cargar rápidamente baterías de uso pesado usadas en vehículos eléctricos. En un ejemplo, un vehículo eléctrico puede necesitar completar una carga en menos de 10 minutos que es suficiente para permitir completar su rutina normal de 9 a 12 millas en una hora antes de tener que recargar. La carga de un vehículo eléctrico en menos de 10 minutos, particularmente para vehículos de uso pesado grandes tales como autobuses, furgonetas o camiones grandes es en general considerado solo posible con ciertos tipos de químicas de baterías, tales como titanato de litio o ultra capacitores que son aptos de una alta velocidad carga sostenida o carga C. sin embargo, los ultra capacitores no contienen suficiente densidad de energía para proveer el intervalo necesario para completar una ruta dada de esta longitud sin recarga. También, la carga y descarga rápida de las baterías aptas de altas velocidades C en una base repetida puede conducir a desgaste incrementado y vida disminuida para las baterías, lo que incremento el costo de operación para los propietarios.
Así, existe la necesidad de sistemas de almacenamiento de energía y métodos asociados que puedan ser cargados rápidamente y proveer desempeño equivalente a los sistemas de almacenamiento de energía de alta velocidad C existentes aptos de altas velocidades C en tanto que usan una configuración de almacenamiento de energía diferente.
BREVE DESCRICPION DE LA INVENCIÓN La invención provee sistemas y métodos para la carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. Varios aspectos de la invención descrita en la presente pueden ser aplicados a cualquiera de las aplicaciones particulares resumidas a continuación o para cualesquier otros tipos de vehículos o fuentes de energía o para cualquier aplicación que requiere carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. La invención puede ser aplicada como un sistema o método autónomo o como parte de un sistema de transportación integrado, tal como un sistema de autobús u otro sistema de transportación público. Se entenderá que diferentes aspectos de la invención pueden ser apreciados individual, colectivamente o en combinación entre sí.
Un aspecto de la invención puede ser concerniente con un sistema de almacenamiento de energía. El sistema de almacenamiento de energía puede tener una primera pluralidad de celdas de batería que son cada una aptas de una primera velocidad C. la pluralidad de celdas de batería pueden se cargadas a una velocidad equivalente a una base de KWh/m como una segunda pluralidad de celdas de batería que cada una son aptas de una segunda velocidad C, la segunda velocidad C siendo más alta que la primera velocidad C. la primera pluralidad de celdas de batería pueden tener una capacidad de almacenamiento de energía que es aproximadamente dos veces la capacidad de almacenamiento de energía para la segunda pluralidad de celdas.
Otro aspecto de la invención puede ser dirigido a un método de carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. El método puede incluir proveer un primer sistema de almacenamiento de energía. El primer almacenamiento de energía puede tener una primera pluralidad de celdas de batería que son aptas de una velocidad C. el método puede también incluir cargar el primer sistema de almacenamiento de energía a una velocidad equivalente a un segundo sistema de almacenamiento de energía. El segundo sistema de almacenamiento de energía puede incluir una segunda pluralidad de celdas de batería que son aptas de una segunda velocidad C, la segunda velocidad C siendo más alta que la primera velocidad C.
Se provee un método para cargar selectivamente un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. El método puede incluir proveer un sistema de almacenamiento de energía y un aparato de carga. El método puede también incluir recibir información concerniente con un o más factores que afectan las condiciones de carga para el sistema de almacenamiento de energía. El método puede incluir además cargar el sistema de almacenamiento de energía utilizando el aparato de carga que utiliza la información concerniente con uno o más factores que afectan las condiciones de carga para el sistema de almacenamiento de energía. Los factores que afectan las condiciones de carga para el sistema de almacenamiento de energía pueden incluir por lo menos uno de los siguientes: la hora del día en que el sistema de almacenamiento de energía operara; el tiempo pronosticado para el are local en que el sistema de almacenamiento de energía operara; la proporción de demanda de electricidad por una compañía de servicios que suministra electricidad al aparato de carga; la carga en la red de servicios acoplado al aparato de carga; el nivel de carga restante dentro del sistema de almacenamiento de energía y el consumo predicho del sistema de almacenamiento de energía antes de la etapa de cargar el sistema de almacenamiento de energía pueda ser repetida.
Otro aspecto de la invención puede ser concerniente con un método para cargar un sistema de almacenamiento de energía. El método puede incluir conectar eléctricamente una estación de carga aun sistema de almacenamiento de energía.
El sistema de almacenamiento de energía puede ser cargado a una primera velocidad. La carga del sistema de almacenamiento de energía a una primera velocidad puede luego ser detenida. Una cantidad de carga puede ser gastada dentro del sistema de almacenamiento de energía. El sistema de almacenamiento de energía puede luego ser cargado a una segunda velocidad. El proceso de gastar una cantidad de carga dentro del sistema de almacenamiento de energía durante un periodo de caída puede ser efectuado por al menos uno de los siguientes: operación de uno o más dispositivos acoplados al sistema de almacenamiento de energía, transferir la carga a un dispositivo de almacenamiento de energía alternativo, transferir la carga de regreso a través de la estación de carga o poner en operación el cargador como un disipador de carga.
Se provee un sistema de carga rápida de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El sistema puede incluir una fuente de energía externa y puede también incluir un vehículo eléctrico. El vehículo eléctrico puede tener un sistema de almacenamiento de energía que comprende una primera pluralidad de celdas de batería, cada una que tiene una primera capacidad de velocidad C. la primera pluralidad de celdas de batería pueden ser cargadas a una velocidad equivalente en una base de KWh/min como una segunda pluralidad de celdas de baterías, cada una teniendo una segunda capacidad de velocidad C que es más alta que la primera 'capacidad de velocidad C. el sistema puede incluir además un aparato de carga acoplado a la fuente de energía externa, el aparato de carga además acoplado separablemente con el vehículo eléctrico para cargar la primera pluralidad de celdas de batería, cada una teniendo una primera capacidad de velocidad C a una o más velocidad de C incluyendo la primera velocidad C.
Se provee un sistema de carga rápida para un sistema de almacenamiento de energía en un vehículo eléctrico de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El sistema es operable para determinar el estado actual de carga del sistema de almacenamiento de energía con el sistema de almacenamiento de energía que tiene una capacidad de carga y que comprende una primera pluralidad de celdas de batería que tienen una primera capacidad de velocidad C. el sistema es además operable para recibir información concerniente con la operación del vehículo eléctrico. El sistema puede también determinar, en base a la información recibida relacionada con la operación del vehículo eléctrico, si la carga del sistema de almacenamiento de energía es necesaria para una operación continua del vehículo eléctrico. El sistema puede también determinar la duración del evento de carga, en donde la duración del evento de carga está restringida por uno o más parámetros de operación del vehículo eléctrico. El sistema es además operable para controlar la carga del vehículo eléctrico durante el evento de carga, en donde el sistema de almacenamiento de energía es cargado a una primera velocidad C, la primera velocidad C siendo menor que una segunda velocidad C requerida para cargar plenamente un segundo sistema de almacenamiento de energía en la duración del evento de carga. El segundo sistema de almacenamiento de energía comprende una segunda pluralidad de celdas de baterías que tiene una segunda capacidad de velocidad C que la primera capacidad de velocidad C. el sistema de almacenamiento de energía tampoco es cargado a su plena capacidad de carga. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía puede ser cargado al 40%, al 60% de su capacidad total para operación normal.
También se provee un método de carga de un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El método incluye determinar el estado actual de carga del sistema de almacenamiento de energía, en donde el sistema de almacenamiento de energía tiene una capacidad de carga y comprende una primera pluralidad ce celdas de batería que tiene una primera capacidad de velocidad C. el método incluye además recibir información relacionada con la operación del vehículo eléctrico y determinar, en base a la información recibida relacionada con la operación del vehículo eléctrico si la carga del sistema de almacenamiento de energía es necesaria para la operación continua del vehículo eléctrico. El método también incluye determinar la duración del evento de carga; en donde la duración del evento de carga, está restringida por uno o más parámetros de operación del vehículo eléctrico. Además, el método incluye controlar la carga del vehículo eléctrico durante el evento de carga, en donde el sistema de almacenamiento de energía es cargado a una primera velocidad C, la primera velocidad C es más baja que una segunda velocidad C requerida para cargar plenamente un segundo sistema de almacenamiento de energía dentro de la duración del evento de carga y el segundo sistema de almacenamiento dé energía comprende una segunda pluralidad de celdas de batería que tienen una segunda capacidad C que es más alta que la más alta que la primera capacidad de velocidad C. además, durante el control de la carga del vehículo durante el evento de carga, el sistema de almacenamiento de energía sistema de almacenamiento de energía no es cargado a su plena capacidad de carga.
Otros objetivos y ventajas de la invención serán apreciados y entendidos además cuando se consideren en conjunción con la siguiente descripción y figuras adjuntas. En tanto que la descripción siguiente puede contener detalles específicos que describen modalidades particulares de la invención, no debe ser interpretados como limitaciones al alcance de la invención sino más bien como una ejemplificación de modalidades preferibles. Para cada aspecto de la invención, muchas variaciones son posibles como se sugiere en la presente que son conocidas para aquellos de habilidad en el arte. Una variedad de cambios y modificaciones se pueden hacer dentro del alcance de la invención sin desviarse del espíritu de la misma.
INCORPORACIÓN POR REFERENCIA Todas las publicaciones, patentes y solicitudes de patentes mencionadas en esta especificación son incorporadas en la presente por referencia a la misma extensión como si cada publicación, patente o solicitud de patente individual fuera indica específica e individualmente para ser incorporada por referencia.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA FIGURAS El archivo de patente o solicitud contiene por lo menos un dibujo ejecutado a color. Copias de esta publicación o solicitud de patente con dibujos a color serán provistas por la oficina a petición y pago del derecho necesario.
Los nuevos elementos de la invención son resumidos con particularidad de las reivindicaciones adjuntas. Se obtendrá un mejor entendimiento de los elementos y ventajas de la presente invención por referencia a la siguiente descripción detallada que resume modalidades ilustrativas en las cuales los principios de la invención son utilizados y las figuras adj untas .
La Figura 1 muestra un esquema de un autobús con varios elementos de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 2 ilustra una analogía simplificada de llenado de "cubos" de almacenamiento de energía que pueden ser usados para explicar conceptos usados con las modalidades de la invención .
La Figura 3 es una comparación de carga rápida de dos diferentes sistemas de almacenamiento de energía que usan diferentes configuraciones para obtener velocidades de carga de > 5kWh/min.
La Figura 4 ilustra una segunda analogía simplificada del llenado de "cubos" de almacenamiento de energía que pueden ser usados para explicar conceptos usados en las modalidades de la invención.
La Figura 5 es un dibujo simplificado que ilustra limitaciones potenciales que pueden surgir en un sistema de almacenamiento de energía que utiliza configuración en serie' de celdas de baterías, módulos, paquetes y cadenas.
La Figura 6 es una comparación de límites de corriente para celdas de diferentes clasificaciones de Ah y diferentes velocidades C de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 7 es una gráfica que provee diferentes configuraciones de diseño de acuerdo con una modalidad de la invención .
La Figura 8 muestra un ejemplo de un arreglo de batería.
La Figura 9 muestra un contorno de alto nivel de un arreglo de batería que puede ser usado como fuente de energía de propulsión de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 10 muestra un esquema de un conjunto de batería que puede ser usado para propulsar un vehículo de uso pesado.
La Figura 11 muestra un ejemplo de un paquete de batería de una cadena .
La Figura 12 muestra un. contorno de alto nivel de un módulo de batería.
La Figura 13 muestra un ejemplo de un módulo de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 14 muestra un contorno de un soporte móvil de un vehículo de uso pesado, tal como un autobús con módulos de batería almacenados en el piso del vehículo de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 15 muestra un arreglo de empaque de celdas de batería de 200 Ah dentro de un módulo de acuerdo con modalidades de la invención.
La Figura 16 muestra un arreglo de empaque de celdas de batería de 50 Ah dentro de un módulo de acuerdo con modalidades de la invención.
La Figura 17 muestra varias configuraciones de carga rápida diferentes que pueden ser usadas para sistemas de diferentes capacidades de carga de acuerdo con modalidades de la invención.
La Figura 18 muestra una gráfica que muestra ciclos de SOC para un horario establecido para carga por hora de un vehículo eléctrico en una ruta fija de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 19 muestra una gráfica que muestra ciclos de SOC para un horario variable para la carga por hora de un vehículo eléctrico en una ruta fija de acuerdo con una modalidad de la invención.
La Figura 20 muestra una matriz de decisión con diferentes consideraciones que se pueden aplicar a la carga en tiempo real en un vehículo eléctrico en una modalidad de la invención.
La Figura 21 muestra una gráfica que muestra niveles de carga durante un evento de carga rápida que utiliza un esquema de carga dividido de acuerdo con una modalidad de la invención .
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención provee sistemas y métodos para carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. Varios aspectos de la invención descrita en la presente pueden ser aplicados a cualquiera de las aplicaciones particulares resumidas a continuación para vehículos eléctricos o híbridos o para cualesquier otros tipos de vehículos. El sistema de almacenamiento de energía puede comprender el uso de una configuración de almacenamiento de energía alternativa que permite velocidades de carga equivalentes a configuraciones de C altas existentes y puede tener varios arreglos y configuraciones. Varios aspectos de la invención descrito en la presente pueden ser aplicados a cualquiera de las aplicaciones particulares resumidas a continuación o para cualesquier otros tipos de vehículos o fuentes de energía o para cualquier aplicación o para cualquier carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. La invención puede ser aplicada como un sistema o método autónomo o como parte de un sistema de vehículo integrado. Se comprenderá que diferentes aspectos de la invención pueden ser apreciados individual, colectivamente o en combinación entre sí.
Por ejemplo, vehículos eléctricos energizados por el sistema pueden incluir un autobús de transito con varios elementos como se muestra en el esquema de la Figura 1, de acuerdo con una modalidad de la invención. Los elementos del autobús pueden ser aplicados a otros vehículos de uso pesado o de alta ocupacional, en donde "vehículos de uso pesado" pueden incluir un autobús escolar, una furgoneta de reparto, un autobús de lanzadera, un remolque de tractor, un camión clase 5 (que pesa 7,258 Kg (16,001 libras) - 8,845 Kg (19,500 libras) , de dos ejes, unidad de seis neumáticos) , un camión clase 6 (que pesa 8, 846 Kg (19,501 libras) - 11, 794 Kg (26,000 libras), una sola unidad de tres ejes), un' camión clase 7 (que pesa 11, 794 Kg (26, 001 libras) - 1,969 Kg (33,000 libras), una sola unidad de cuatro o más ejes) un camión clase 8 (que pesa 14,969 Kg (33,000 libras) y más, de un solo remolque de 4 o menos ejes) , un vehículo con un GVWR que pesa más de 6,350 Kg (14,000 libras), un vehículo con una proporción de masa de carga a conductor de 15:1 o mayor, un vehículo con 6 o más neumáticos, un vehículo con tres o más ejes o cualquier otro tipo de vehículo de alta ocupación o de uso pesado.
Un vehículo de uso pesado puede tener una fuente de energía de propulsión que incluye baterías. En algunas modalidades de la invención, el vehículo de uso pesado puede tener una o más fuentes de energía adicionales tales como un motor de combustión o una celda de combustible. El vehículo de uso pesado puede ser un vehículo energizado por baterías eléctrico o un vehículo electro híbrido o puede ser apto de usar la misma configuración de batería básica, motor impulsor y controlador sin consideración del vehículo es un vehículo completamente de baterías o un vehículo híbrido.
La fuente de energía de propulsión para un vehículo de uso pesado puede incluir uno o más conjunto de baterías. Un conjunto de batería puede proveer energía de alto voltaje al motor de tracción, accesorios de alta potencia y accesorios de bajo voltaje en el vehículo por medio del uso de un convertidor. En una modalidad de la invención, las celdas pueden ser puestas en paralelo para reducir el costo del sistema de manejo de baterías puesto que cada voltaje de celda puede ser medido. Sin embargo, en algunas otras modalidades con celdas de capacidad más grandes, el poner en paralelo a las baterías antes de colocarlas en serie puede no ser necesario. El uso de celdas de capacidad más grande puede incrementar la seguridad de todo el conjunto sin agregar costo al sistema de batería. Así, las baterías pueden ser dispuestas en serie o en paralelo o en cualquier combinación de las mismas. Tal flexibilidad de conexión de baterías puede también permitir flexibilidad en la colocación de baterías. Tal flexibilidad de colocación de baterías puede ser beneficio en donde las baterías están distribuidas en el vehículo .
En algunas modalidades, un vehículo de uso pesado puede viajar por una ruta predeterminada y detenerse en puntos predeterminados para recarga. Véase, por ejemplo Patente Estadounidense 3,955,657, que es incorporada en la presente por referencia en su totalidad.
En una modalidad de la invención, la fuente de energía de propulsión de un vehículo de uso pesado puede incluir celdas de batería de fosfato de litio hierro (LFP) o carbón duro/oxido de níquel cobalto manganeso (NCM) . En algunas implementaciones, las fuente de energía de propulsión puede incluir celdas de batería que son solamente baterías de fosfato de litio hierro o celdas de batería de carbono duro de NCM sin requerir ningún otro tipo de celdas de batería. Las celdas de batería de fosfato de litio ion o carbono duro NCM pueden incluir cualquier formato o composición conocidos en el arte.
Un vehículo de uso pesado tal como el autobús de transito mostrado en la Figura 1 puede ser usado como parte de un sistema de transportación integrado que utiliza vehículos eléctricos tal como sistema de autobús u otro sistema de transportación público. El vehículo eléctrico de uso pesado puede operar en una ruta de transito relativamente fija en la cual el vehículo debe consumar toda su ruta antes de regresar a un sitio específico para recarga. Las recargas de la batería del vehículo eléctrico debe ser consumada en una cantidad de tiempo corta para minimizar el "tiempo de paralización" del vehículo y maximizar el tiempo operacional del vehículo eléctrico en el campo. Por ejemplo, el vehículo eléctrico puede necesitar completar una carga de menos de 10 minutos que es suficiente para permitir que complete su ruta normal de 9 a 12 millas en una hora antes de tener que recargar. La carga de un vehículo en menos de 10 minutos, especialmente un vehículo de uso pesado grande es en general considerado posible solamente con químicas de alta velocidad C, tales como titanato de litio o ultra capacitores. De acuerdo con el conocimiento convencional, la velocidad a la cual un sistema de almacenamiento de energía puede ser cargado puede ser considerada directamente proporcional a la velocidad C de las celdas de batería contenidas en el sistema. La velocidad C mide la velocidad de carga o descarga de una celda o batería, expresada en términos de su capacidad de almacenamiento total en Ah o mAh. Por ejemplo, una velocidad C (1C) puede significar que una batería de 50 Ah proveería 50 A por 1 hora si es descargada a una velocidad de 1C. La misma batería descargada a 0.5 C proveería 25 A por dos horas. A 2C, la batería de 50 Ah alimentaria 100 A por 30 minutos. A 6C la misma batería proveería 300 A, pero solamente por 10 minutos. 1C es frecuentemente denominada como una descarga de 1 hora; 0.5 C sería una descarga de 2 horas y .O.lC una descarga de 10 horas. 0.5C (50Ah) = 25A por 120 minutos 1C (50Ah) = 50A por 60 minutos 2C (50Ah) = 100A por 30 minutos 3C (50Ah) = 150A por 20 minutos 6C (50Ah) = 300A por 10 minutos De acuerdo con procedimientos convencionales, un sistema que contiene celdas de baterías de 6C es considerado en general apto de velocidades de carga "rápidas" más altas mediante un sistema que consiste de celdas de batería 3C es considerado menos capaz de obtener velocidades de carga similares sin dar como resultado pérdida significativa de la vida de la celda. Esto está basado en el paradigma convencional de que las velocidades de carga del sistema de almacenamiento de energía están directamente relacionadas con la velocidad de C de las celdas de batería usadas con el sistema. Mientras que esta definición de velocidades de carga se mantiene al nivel de celda individual, las velocidades de carga que empiezan a volverse dependientes de variables adicionales cuando las celdas de batería son diseñadas al sistema de almacenamiento de energía que comprenden módulos, paquetes, cadenas y otros elementos físicos y elementos de programación relacionados.
Los procedimiento convencionales pueden también buscar minimizar la cantidad de almacenamiento de energía a bordo de vehículo eléctrico. El incremento de la capacidad de almacenamiento de energía de un sistema del vehículo al duplicar el número de celdas de batería en el sistema puede dar como resultado una duplicación de la masa y volumen para las celdas de batería. Esto puede crear un numero de problemas para los vehículos eléctricos, ya que las celdas de batería pueden necesitar ser montadas en un sitio especifico del vehículo, tal como dentro de una cavidad del piso en compartimientos especializados en el piso de un autobús o integrados en otras partes del vehículo eléctrico y no pueden ya ajustar dentro del área especificada. Además, la masa incrementada de las celdas de batería puede dar como resultado un arrastre incrementado y aceleración reducida para el vehículo, intervalos reducidos para el vehículo y otros impedimentos al desempeño del vehículo.
El estado utilizable de carga o SOC, restante en las celdas de batería es en general minimizado en los procedimientos convencionales a configuraciones de celdas de batería dentro de vehículos eléctricos. Por ejemplo, el dimensionamiento ascendente del tamaño de un sistema de almacenamiento de energía puede ser observado a medida que se mueve en la dirección incorrecta si una cantidad menor de almacenamiento puede obtener los requerimientos de intervalo requeridos. La capacidad en exceso, si no es usada apropiadamente, puede ser vista por procedimientos convencionales como extraños a los requerimientos del sistema de almacenamiento de energía y puede también agregar costos adicionales al sistema relacionados con la compra e integración de celdas de batería adicionales.
Una modalidad de la invención provee un sistema de almacenamiento de energía que puede ser cargado rápidamente y proveer desempeño equivalente a los sistemas de almacenamiento de energía de alta velocidad C mientras que usa una diferente configuración de almacenamiento de energía.
El dibujo en la Figura 2. ilustra una analogía simplificada de Llenado de "cubos" de almacenamiento de energía gue puede ser usado para explicar conceptos usados en modalidades de la invención. La duplicación de la capacidad de almacenamiento de energía del sistema duplica efectivamente el tamaño del "cubo" que es llenado por una "espiga" de carga rápida, excepto que solamente la mitad del cubo más grande puede ser llenado en la misma cantidad de tiempo que tomaría en llenar el cubo original. El "cubo" existente (o sistema de almacenamiento de energía) a la izquierda utiliza celdas de batería 6C para un SOC total de 55 KWh. En comparación, el "cubo" más grande a la derecha utiliza celdas 6C de carga más lenta con un SOC total de 110.4 KWh, para aproximadamente el doble capacidad del primera cubo. Intuitivamente, el "cubo" de 110.4 KWh puede ser llenado a la mitad utilizando la "espiga" de carga rápida en la misma cantidad de tiempo que tomaría llenar completamente el "cubo" de 55 KWh. Esto permite tiempos de carga rápidos aproximadamente de los dos "cubos" para la misma cantidad de SOC, con la diferencia siendo que el "cubo" de 110.4 KWh esta solamente lleno a la mitad, mientras que el "cubo" de 55 KWh está completamente lleno .
Continuando con la analogía de cubo, la duplicación de la cantidad de almacenamiento de energía del "cubo" conduciría intuitivamente a una duplicación correspondiente del espacio y peso, que el "cubo" ocuparía. Sin embargo, un "cubo" o sistema de almacenamiento de energía de doble tamaño que utiliza celdas de batería 3C densas de energía en lugar de celdas 6C de densidad de energía pueden ser diseñados para tomar aproximadamente la misma cantidad de espacio peso como el "cubo" o sistema de almacenamiento de energía de 55 KWh al utilizar diferentes químicas de celdas, diseños de sistema, modificaciones al esquema de carga rápida y otros cambios.
La Figura 3 es una comparación de carga rápida de dos diferentes sistemas de almacenamiento de energía que usan diferentes configuraciones para obtener velocidades de carga de 5 KWh/min > 5K h equivalentes. El sistema de almacenamiento de energía 6C utiliza una química de energía densa que permite la carga rápida de un vehículo eléctrico y una vida de batería larga. Por ejemplo, una química de titanato de litio u otra química de batería conocida en el arte o desarrollada más tarde puede ser usada en el sistema de almacenamiento de energía de 6C . El sistema de almacenamiento de energía 6C puede ser apto de cargarse a un estado muy alto de carga en minutos. Por ejemplo, la fuente de energía puede ser apta de cargarse a más del 95% de estado de carga en el transcurso de 10 minutos al cargar > 5.0 KWh/min por un periodo de 10 minutos. Esto permitiría que un vehículo eléctrico que utiliza el sistema de almacenamiento de energía de 6C complete una ruta de transito ejemplar de 9 a 12 millas mientras que solamente carga durante descansos de 10 minutos o menos. Véase, Solicitud de Patente Estadounidense 61/076,480 intitulada "Vehicle Battery Systems and Methods" por detalles adicionales, que es incorporada en la presente por referencia en totalidad.
En lugar de la química de titanato de litio de energía densa usada en sistemas de almacenamiento de energía de 6C, el sistema de almacenamiento de energía de 3C utiliza una química de energía densa para obtener una velocidad de carga equivalente mientras que también provee energía y desempeño equivalente para completar una ruta de transito similar como se describe anteriormente. Una modalidad de la invención utiliza una química de baterías de fosfato de litio hierro o carbono duro/oxido de níquel cobalto manganeso (NMC) para las celdas de batería en el sistema de almacenamiento de energía, pero otras químicas de batería con características similares conocidas en el arte o desarrolladas más tarde puede también ser usado.
El sistema de almacenamiento de energía de 3C almacena una cantidad más grande de energía almacenada por unidad de volumen al utilizar una química de energía densa, permitiendo así que el sistema de 110.4 KWh ejemplar ocupe un volumen y masa comparable como el sistema denso de energía de 52.2 KWh que utiliza una química de titanato de litio.
En lugar de enfocarse sobre la velocidad C específica para las celdas de batería como medida de la velocidad de carga-, las modalidades de la invención se enfocan en lugar de esto en obtener cantidades y tiempos de carga rápida equivalentes como los sistemas convencionales existentes al solamente cargar parcialmente un sistema de almacenamiento de energía que tiene una capacidad de almacenamiento de energía mayor, mientras que las celdas de batería aptas de una velocidad C más baja se cargaran individualmente a una velocidad más lenta que aquellas aptas de una velocidad C más alta, el sistema de almacenamiento de energía como un todo puede ser rediseñado para acomodar los tiempos de carga más lentos para las celdas de batería individuales mientras que permite que el sistema de almacenamiento de energía como un todo se cargue rápido a niveles utilizables equivalentes como un sistema de almacenamiento de energía que utiliza celdas de batería aptas de una velocidad C más alta. Por ejemplo, un sistema de almacenamiento de energía ejemplar con el doble de la capacidad de almacenamiento global se podría cargar rápido al > 50% de su intervalo de SOC utilizable, que ofrecería un SOC equivalente para cargar plenamente un sistema de almacenamiento de energía con la mitad de la capacidad. El tamaño de sistema exacto e intervalos de ciclos de SOC pueden estar basados en la aplicación especifico del sistema de almacenamiento de energía, tal como intervalos de ruta del vehículo eléctrico que utiliza el sistema de almacenamiento de energía, también como los requerimientos de carga específicos para la aplicación.
Se debe entender que mientras que la Figura 3 provee-detalles específicos de la configuración y requerimientos de diseño para sistemas de almacenamiento de energía de acuerdo con modalidades de la invención, varias modificaciones se pueden hacer a los mismos y son contemplados en la presente. Por ejemplo, la Figura 3 describe los sistemas de almacenamiento de energía que utilizan celdas de batería en una configuración de celda prismática, pero otras configuraciones de celda de batería podrían también ser usadas incluyendo pero no limitadas a celdas cilindricas, celdas de botón, celdas de saco u otras configuraciones conocidas para las personas de habilidad en el arte. Varias modificaciones también se podrían hacer a la configuración del sistema de almacenamiento de energía tal como usar diferentes celdas de velocidad C o celdas de batería Ah, químicas de batería y capacidades de almacenamiento. También, mientras que la configuración del sistema de almacenamiento de energía de la Figura 3 describe requerimientos de carga para un vehículo eléctrico de uso pesado que viaja en una ruta de transito ejemplar de 9-12 millas, modificaciones al intervalo del sistema, tiempo de carga, SOC utilizable, amperaje y voltajes usados en la carga rápida y otros serian evidentes para la persona de habilidad en el arte y se contempla que la invención también cubrirá tales modificaciones, variantes y equivalentes.
El dibujo de la Figura 4 ilustra una segunda analogía simplificada de "cubos" de almacenamiento de energía que pueden ser usados para explicar conceptos usados en las modalidades de la invención. Similar al dibujo de la Figura 2, se usa una "espiga" de carga rápida para llenar sistemas de almacenamiento de energía o "cubos" con diferentes configuraciones de almacenamiento de energía. El "cubo" existente (o sistema de almacenamiento de energía) a la izquierda utiliza celdas de batería 6C para un SOC total de 55 KWh . Sin embargo, en lugar de un solo "cubo" de tamaño doble a la derecha, una analogía más exacta seria llenar simultáneamente dos "cubos" de tamaño equivalente en paralelo, con los dos "cubos" formados de celdas de batería 3C de carga más lenta. La razón por este cambio es que un sistema de almacenamiento de energía de celdas de baterías 3C podría no ser apto de carga rápida a la misma extensión como un sistema de almacenamiento de energía que utiliza celdas de baterías 6C si todas las celdas de batería, módulos, paquetes y cadenas usados en el sistema de almacenamiento de energía estuvieran completamente en serie o tendrían una cantidad limitada de circuitos en paralelo. Por ejemplo, la Figura 5 es un dibujo simplificado que ilustra limitaciones potenciales que pueden surgir en un sistema de almacenamiento de energía que utiliza una configuración en serie de celdas de batería, módulos, paquetes y cadenas. En la Figura 5, un grupo de celdas de batería es conectado en serie con una carga. La conexión de la celda de batería en serie provee un voltaje equivalente de la suma de los voltajes de todas las celdas de batería, pero la Ah y capacidad portadora de corriente de solamente una celda de batería. Por ejemplo, si las celdas de batería de la Figura 5 fueran celdas de batería de 12 V, 20 Ah, las cuatro celdas de batería en serie proveerían 48 V, pero con la misma Ah puesto que la misma corriente fluye igualmente a través de todas las celdas en la cadena. Continuando con este ejemplo en una escala más grande, todas las celdas en una configuración en serie verán la corriente máxima (excluyendo perdidas resistivas) durante la carga rápida, sin consideración de la cantidad de escaldado ascendente del sistema utilizado. Similarmente, los módulos colocados en serie también tendrán celdas que den la misma cantidad de corriente. Esto se puede volver un problema debido a que el límite de corriente que cada celda puede tomar no es ilimitado sino que es más bien función tanto de su Ah nominal también como de su velocidad C. el amperaje en exceso en la carga de una celda de batería puede dar como resultado que la batería sea cargada demasiado rápidamente, con las baterías en riesgo de ser sobrecargadas o recalentada o tener su tiempo de vida utilizable reducida. Esta consideración puede dar como resultado consideraciones de diseño adicionales más allá de solamente duplicar la capacidad de almacenamiento del sistema de almacenamiento de energía en cuestión, como se discute en más detalle posteriormente en la presente. No obstante, puede todavía ser posible utilizar celdas de batería de bajo Ah en serie para incrementar la capacidad de almacenamiento del sistema de almacenamiento de energía de energía mientras que se obtiene una absorción de energía similar. La adición de las celdas de batería en serie da como resultado un voltaje en serie más alto, lo que significa que la cantidad de corriente necesaria para obtener una absorción de energía circular puede ser reducida. Así, si el vehículo eléctrico es apto de usar voltajes más altos puede ser posible utilizar una configuración de cadena con un conjunto en serie de Ah más bajo de celdas de batería.
La figura 6 es una comparación de los límites de corriente para celdas de diferentes Ah nominales y diferente velocidad de C de acuerdo con una modalidad de la invención. Las formulas a la izquierda muestran diferente velocidad de C para celdas de batería de 50 Ah con diferente velocidad de C que dan como resultado diferentes salidas y entradas de amperaje para una cantidad de tiempo dada. A 3C, una celda de batería de 50 Ah proveería 150 A x 20 minutos y también sería solo apta de cargar a 150 A o menos. En comparación, a 3C una celda de batería de 20 Ah podría solamente recibir una carga rápida de 60 A. ya que los sistemas de carga rápida actuales pueden usar un amperaje de carga rápida recomendado mucho más alto de 150 Ah o 60 A, algún nivel de circuitos en paralelo pueden ser agregados a nivel de celda, modulo, paquete o cadena para ayudar a dividir la corriente que entra a cada celda a un nivel más bajo. Como se muestra por la comparación de los límites de corriente para celdas de batería de 50 Ah y 20 Ah, el uso de celdas de Ah más bajos puede requerir división de corriente adicional, agregando así consideraciones de diseño adicionales al sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo, el sistema puede emplear configuraciones de celda en paralelo a nivel de celda, modulo, paquete o cadena para ayudar a recibir la corriente que llega a cada celda durante un evento de carga rápida.
También se provee un método para cargar un sistema de almacenamiento de energía de acuerdo con una modalidad de la presente invención. El método incluye determinar el estado actual de carga del sistema de almacenamiento de energía, el sistema de almacenamiento de energía tiene una capacidad de carga y que comprende una primera pluralidad de celdas de batería que tienen una primera capacidad de velocidad C. el método incluye además recibir información concerniente con la operación del vehículo eléctrico. Esta información puede ser información de ruta, información concerniente con la capacidad actual de la batería, modificadores a corto plazo o largo plazo al uso u operación del vehículo eléctrico, tipo de ruta (CBD, COM, ARTERIAL), el perfil de ruta (plano, ascendente, urbano) , perfil de carga de pasajeros base, cargas de HVAC históricas, cambios de hora del día, cambios de tiempo de la semana, niveles de reserva deseados de SOC, costos de electricidad esperados y otros. El método incluye además determinar, en base a la información recibida relación con la operación del vehículo eléctrico, si la carga del sistema de almacenamiento de energía es necesaria para la operación continua del vehículo eléctrico. Si es así, el vehículo eléctrico puede regresar a una estación de carga para cargar el sistema de almacenamiento de energía. El método también incluye determinar la duración de un evento de carga; en donde la duración del evento de carga está restringida por uno o más parámetros de operación del vehículo eléctrico. Por ejemplo, la duración del evento de carga puede ser limitado por la longitud de la ruta del vehículo. En una ruta de una hora de largo, el vehículo eléctrico puede solamente ser permitido 10 minutos o menos para cargar su sistema de almacenamiento de energía a un nivel suficiente para completar su ruta. La duración del evento de carga puede ser restringido por otros parámetros, incluyendo la disponibilidad de estaciones de carga, el horario de operación del vehículo, características de las celdas de batería usadas en el sistema de almacenamiento de energía y otros. Además, el método incluye controlar la carga del vehículo eléctrico durante el evento de carga, el donde el sistema de almacenamiento de energía es cargada a una primera velocidad C, la primera velocidad C siendo más baja que una segunda velocidad C requerida para cargar plenamente un segundo sistema de almacenamiento de energía en la duración del evento de carga. Por ejemplo, el sistema de almacenamiento de energía puede ser cargado a una velocidad de carga de 3C, en lugar de una velocidad de carga de 6C que sería requerida para cargar plenamente un sistema de almacenamiento de energía equivalente, en donde el sistema de almacenamiento de energía equivalente incluye una segunda pluralidad de celdas de batería que tienen una segunda capacidad de velocidad C que es más alta que la primera capacidad de velocidad C. el sistema de almacenamiento de energía puede completar la carga dentro de la duración del evento de carga en el tiempo requerido para cargar el sistema de almacenamiento de energía equivalente a plena capacidad de carga. Sin embargo, el sistema de almacenamiento de energía no es cargado a su plena capacidad de carga, sino que debido a su capacidad de carga global es más grande que aquella del sistema equivalente, la cantidad total de carga disponible para operación del vehículo eléctrico sigue siendo la misma.
Las velocidades de carga y descarga para celdas de batería descritas en la presente son ideales y pueden también ser afectadas por otros factores, incluyendo la temperatura, la impedancia interna de las celdas de batería, si la descarga se hace intermitente o continuamente, el ciclo de vida de las celdas de batería y otros.
Además de cambios a los arreglos de celda, modulo, paquete o cadena en serie o paralelo usados en el sistema de almacenamiento de energía, las modalidades de la invención puede involucrar el rediseño de otros componentes usados en el vehículo eléctrico o aparato de carga para cumplir con los requerimientos de corriente continua máxima y requerimientos de carga/descarga de energía. La Figura 7 es una gráfica que provee diferentes configuraciones de diseño de acuerdo con una modalidad de la invención. El sistema de 3C puede usar una química de fosfato de litio hierro o de carbono duro de NCM y puede usar celdas de batería con diferentes Ah nominales. En varias modalidades, todas las celdas de batería usadas en el sistema de almacenamiento de energía pueden tener la misma Ah nominal o las celdas de batería usadas en diferentes arreglos de modulo, paquete o cadena pueden tener Ah nominales diferentes. El voltaje de celda nominal para un sistema de 3C puede ser de 3.2 V, pero también se usar voltajes más altos o más bajos. Por ejemplo, celdas de voltaje más altos a Ah nominales equivalentes pueden permitir que objetivos de voltaje sean obtenidos por una capacidad de energía agregada más baja. Si necesita capacidad adicional, puede ser agregada por medio de módulos, paquetes o cadenas en paralelo adicionales lo que reduce la corriente a cada celda. Un voltaje del sistema más alto o más bajo puede también ser usado, dependiendo de la configuración de otros componentes usados dentro y en conjunción con el sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo, una estrategia de voltaje más alto puede usar un voltaje del sistema nominal de 384 V, mientras que una estrategia de voltaje más alto puede usar un voltaje más alto de entre 600-800 V. el uso de celdas de voltaje más altos puede también permitir que voltajes más altos sean alcanzados con capacidad de almacenamiento de energía incrementado más bajo a una Ah nominal de celda equivalente. El desplazamiento del sistema a un intervalo más alto puede permitir el uso de componentes de alto voltaje, tal como un motor de alto voltaje nominal ya sea para 600 V, 600 A o 1200 V, 300 A. configuraciones de motor de alto voltaje adicionales con diferentes voltajes y amperajes nominales y diferentes voltajes de sistemas nominales pueden también ser usados en modalidades de la invención.
Otros componentes que pueden ser rediseñados para uso en un sistema de baja velocidad C de carga rápida incluyen las barras de distribución y terminal, cable de alto voltaje (HV) , sistemas de manejo térmico activo, soldadura de lengüeta de celda, el sistema de manejo de batería (B S) , cajas de distribución y unión, el convertidor de 24 V, HVAC, la cuchilla de carga y cabeza y otros. Modalidades de la invención pueden usar versiones modificadas de componentes y equipos descritos en las Solicitudes de Patentes 61/328,143 y 61/077,452 tituladas, "Fast Charge Stations for Electric Vehicles in Areas with Limited Power Availability" y "Charging Stations for Electric Vehicles", que son incorporadas en la presente por referencia en su totalidad. Por ejemplo, las barras de distribución y terminales de tamaño escalado hacia arriba pueden ser usados en paqueterías de batería o estaciones de carga para satisfacer requerimientos de especificaciones. El tamaño de los cables de alto voltaje puede ser dimensionado hacia arriba para tener una sección transversal conductora de 120 mm2 o 4/0 nominal para 300 A minutos para un intervalo de voltaje de entre 300-400 V. los sistemas de manejo técnico activos y configuración en paralelo adicionales pueden también ser usados para ayudar a compensar la impedancia de celda más alta de celdas de LFP en comparación con celdas de LTO a niveles comparables y también limitar el grado de elevación de temperatura durante un evento de carga rápida. El dimensionamiento hacia arriba del sistema de almacenamiento de energía puede ayudar a controlar el incremento de temperatura en las celdas de batería durante eventos de carga rápida al permitir que las celdas de batería vean corrientes de carga más bajas y una impedancia del sistema reducido global debido a configuraciones en paralelo adicionales a nivel de celda, modulo, paquete o cadena para ayudar a reducir la corriente que llega a cada celda durante la carga rápida. Otras técnicas de manejo térmico pueden también ser usadas a nivel de modulo o paquete, incluyendo el uso de placas de enfriamiento integradas de un sistema de enfriamiento eléctrico de vehículo principal u otros elementos de enfriamiento conocidos en el arte, tales como varios arreglos de disparador eléctrico o el uso de enfriamiento por convección. Técnicas de enfriamiento activas tales como enfriamiento de fluido que pueden utilizar ventiladores, el paso de aire, líquidos u otros fluidos puede también ser utilizado. Las celdas de batería usadas en un sistema de almacenamiento de energía de carga rápida puede también usar una placa soldada para colocar exactamente y mantener las terminales a la caja de un módulo para reducir los agrietamientos por esfuerzo de fatiga en las lengüetas de celdas. Un B S con capacidad de carga rápida puede también ser integrado a los paquetes y/o módulos para dar advertencia prematura a problemas potenciales con celdas de batería más débiles en una cadena. El BMS puede dar retro alimentación exacta en cuanto a los voltajes de celdas y temperaturas dentro de los módulos con el fin de asegurar un paquete de batería saludable y puede ser adaptado para monitorear los voltajes incrementados durante el proceso de carga rápida. Si hay algún problema con una cadena particular, aquellos módulos pueden ser movidos automáticamente del servicio y el vehículo se puede poner en operación a capacidad reducida hasta el final del día si es necesario. El BMS puede desconectar una cadena de batería si se detecta una falla. Si toda una cadena de batería es conectado, el vehículo es capaz de operación.
Modalidades de la presente invención pueden también usar múltiples configuraciones de cadena para dividir los altos niveles de corriente durante los eventos de carga rápida. El uso de una sola configuración de cadena puede significar que cada celda dentro de la cadena observa la corriente máxima a pesar de la publicación del tamaño del sistema de almacenamiento de energía. Un conteo de cadena más alto puede también ser más favorable para los sistemas de energía densa, pero otras configuraciones y arreglos de batería pueden también ser usados.
La Figura 8 muestra un ejemplo de un arreglo de batería.
Un módulo puede encajar dentro de un paquete de batería, que puede encajar dentro de un conjunto de batería, que puede incluir cadenas de paquetes de baterías conectados en seria.
La Figura 9 muestra un contorno de alto nivel de un arreglo de batería, que puede ser usado como una fuente de energía de propulsión de acuerdo con una modalidad de la invención. El conjunto de batería en un vehículo puede ser diseñado para tener cualquiera número de cadenas de batería principales. Por ejemplo, en una modalidad, el conjunto de batería puede incluir tres cadenas de batería principales. Cada cadena puede consistir de un número de paquetes de baterías. Por ejemplo, pueden haber dos paquetes por cadena. Cada cadena puede o puede no tener el mismo número de paquetes. Por ejemplo, cada cadena puede tener dos paquetes. En otro ejemplo, una cadena puede tener dos paquetes, otra cadena puede tener un paquete y otra cadena puede tener cinco paquetes. Las cadenas pueden ser dispuestas de tal manera que estén conectadas en paralelo. Alternativamente, las cadenas pueden permitir que los paquetes sean conectados en serie.
La Figura 10 muestra un esquema de un conjunto de batería que puede ser usado para propulsar un vehículo de uso pesado tal como un autobús, de acuerdo con una modalidad de la invención. En algunos casos, los paquetes pueden ser dispuestos eléctricamente en una configuración escalonada para hacer coincidir la resistencia del cableado y asegurar operación similar de cada cadena. Un ejemplo de una configuración escalonada es un grupo de cuatro paquetes (paquete 1, paquete 2, paquete 3, paquete 4 alineados de cerca a lejos), que están dispuestos en dos cadenas. La primera cadena puede conectar el paquete 1 y paquete 4 conjuntamente, mientras que la segunda cadena puede conectar el paquete 2 y paquete 3 conjuntamente. Cada paquete puede tener la misma cantidad de alambre que conecta las dos baterías aun si cada paquete está a una distancia diferente del área de unión. Cada paquete puede ser montado individualmente desde abajo del vehículo en una, dos o más cavidades integradas al piso.
Un paquete puede incluir cajas o contenedores que encierran el contenido del paquete. Los recipientes pueden tener cualquier forma o configuración que pueden permitir mantener el contenido del paquete de batería. Los recipientes pueden ser herméticos al agua y pueden ser formados de un material que no se oxidara o quemara cuando es expuesto a un arco eléctrico. Por ejemplo, el material para los recipientes puede ser acero inoxidable 3CR12 para proteger contra la corrosión de sales del camino, inhibir la oxidación cuando está en contacto con un arco eléctrico y ayudar con la fatiga del material. Otros materiales, tales como materiales compuestos pueden ser usados que tienen elementos similares.
La Figura 11 muestra el ejemplo de un paquete de batería de una cadena. Un paquete de batería puede incluir uno o más módulos. Por ejemplo, cada uno de los paquetes de batería pueden contener ocho módulos. Cada paquete de batería de un conjunto de batería puede o puede no incluir el mismo número de módulos. Por ejemplo, un paquete de batería puede incluir seis módulos, otro paquete de batería' puede incluir ocho módulos, mientras que otro paquete de batería puede también incluir ocho módulos.
El diseño del paquete puede acomodar seguridad y tamaño. En un diseño de paquete, un número de factores pueden ser considerados incluyendo detección, contención, aislamiento y supresión. Cada una de estas áreas pueden tratar un grupo de problemas potenciales que podrían ocurrir y pueden ayudar a satisfacer todos los estándares aplicables de seguridad del vehículo motorizado federales.
Un BMS puede ser un método de detección primario de un problema, con una celda, modulo, paquete o cadena particular. El BMS puede detectar cuando ocurre una falla y puede ser apto de dirigir el conjunto de batería a desconectar porciones del conjunto de batería, tales como cadena de batería individuales en donde la falla puede haber ocurrido, con el fin de impedir que otras porciones del conjunto de batería sean cometidas y para permitir la operación continua del vehículo. El BMS se puede comunicar con y dentro de cada paquete para obtener el nivel de detención y manejo. El paquete puede ser hermético al agua y puede proveer contención. El paquete puede estar contenido dentro de un recipiente o caja que puede proteger el paquete de elementos externos que pueden dañar el contenido del paquete. El recipiente del paquete puede ser diseñado para proteger al paquete por un largo periodo de tiempo. Además de proteger el contenido del paquete de amenazas externas, el recipiente de un paquete puede contener cualesquier fallas que puedan ocurrir dentro de un paquete con el fin de impedir daños a otros paquetes o porciones del vehículo.
Divisores entre los módulos pueden proteger a los módulos de otros módulos que pueden tener una falla, proporcionando así aislamiento. Si un módulo fuera a fallar, los divisores pueden proteger otros módulos del módulo fallido. Los divisores pueden o pueden no ser integrados a la estructura del recipiente de paquete y pueden ser fabricados de un material que no se puede oxidar cuando es expuesto a arcos eléctricos o altas temperaturas. La Figura 8 muestra un ejemplo de un recipiente de paquete con divisores de modulo.
La supresión puede no ser necesaria debido al espacio de aire muy limitado dentro del recinto. En algunos casos, configuraciones de supresión pueden ser agregadas lo que puede requerir proveer una trayectoria o ruta de escape para el material de supresión. La trayectoria de escape puede consistir de una abertura taladrada en una sección del paquete con un blindaje de retorno de muelle y un material de junta para sellar la abertura de escape cuando no está en uso .
En algunas modalidades, un paquete de batería puede incluir módulos con disipadores térmicos integrados, elementos de enfriamiento tal como una placa de enfriamiento, retenes de modulo, barras de distribución para anexar módulos con untamente y uno o más compartimientos pequeños que pueden alojar los tableros, relevadores y fusibles del BMS. El compartimiento puede o puede no ser aislado sustancialmente de manera térmica y/o físicamente de los módulos. El cableado de interconexión puede correr a un conector hermético al agua en la caja del extremo pequeña que puede desconectar la energía al relevador, haciendo así las terminales del conector seguras cuando el cable principal es desconectado. El paquete puede incluir elementos de enfriamiento integrados además de elementos de enfriamiento de los modelos. En algunas implementaciones, placas de enfriamiento integradas pueden proveer enfriamiento de un sistema de enfriamiento eléctrico del vehículo principal. En algunas modalidades, las placas de enfriamiento pueden preferiblemente ser mantenidas por debajo de 43°C para operación de las baterías. Otros elementos de enfriamiento conocidos en el arte, tales como varios arreglos de disipador térmico o uso de enfriamiento por convección pueden ser usados en un paquete de batería. Técnicas de enfriamiento activas, tales como enfriamiento de fluido, que pueden utilizar ventiladores, el paso de aire, líquido u otros fluidos puede también ser utilizado.
Un blindaje térmico que consiste de un recubrimiento de cerámica atomizado por el punto más bajo de los paquetes puede ser aplicado a los paquetes expuestos al lado inferior del vehículo o en cualquier parte en donde el calor irradiado puede ser una preocupación.
Tal diseño de paquete de batería puede tener los siguientes beneficios: bajo costo de integración, diseño por seguridad, facilidad de montaje, puede estar libre de mantenimiento y puede tener montaje simple.
La Figura 12 muestra un contorno de alto nivel de un módulo de batería. El módulo de batería puede incluir una o más celdas de batería. En una modalidad preferida, las celdas de batería pueden ser celdas de batería de fosfato de litio hierro o de carbono duro de NCM. En otras modalidades, las celdas de batería pueden tener otras químicas de batería conocidas en el arte. Por ejemplo, cada módulo puede comprender 10 celdas de batería. Cada módulo puede o puede no incluir el mismo número de celdas de batería. Por ejemplo, un módulo puede incluir ocho celdas de batería, mientras que otro modulo puede incluir doce celdas de batería y otro modulo puede incluir 13 celdas de batería, mientras que todavía otro modulo puede incluir trece celdas de batería.
Las celdas pueden tener cualquier conexión o arreglo dentro del módulo. Por ejemplo, las celdas pueden ser todas conectadas en serie, alternativamente, las celdas pueden ser conectadas en paralelo. De otra manera, en algunos casos las celdas pueden ser conectadas en una combinación de serie o en paralelo dentro del módulo.
Las celdas de batería pueden tener varias especificaciones, tales como varios voltajes. Por ejemplo, cada celda para una batería de fosfato de litio hierro puede ser de 3.2 Vn0minaií 50 Ah dando una energía nominal de 160 WH. Cada celda, tales como baterías de ion de litio u otros tipos de baterías pueden o pueden no variar en sus especificaciones. En algunas modalidades, las celdas pueden ser celdas prismáticas. Cada celda prismática puede ser alojada en un saco de mila/hoja de aluminio especializada que puede ser un tanto frágil. El alojamiento del módulo puede estar diseñado para proteger las celdas del daño exterior, haciendo más fáciles de manejar y proveer soporte de enfriamiento .
Los módulos pueden incluir elementos de enfriamiento.
Por ejemplo, los módulos pueden tener aletas de enfriamiento de aluminio integradas entre cada celda. En otros ejemplos, las placas de enfriamiento se pueden todas enlazar a un plano posterior de aluminio anodizado que puede luego ser enfriado para soportar el enfriamiento uniforme a través del módulo. Otros elementos de enfriamiento conocidos en el arte pueden ser usados, tales como varios arreglos de disipador térmico, enfriamiento de convección forzada y así sucesivamente.
La Figura 13 muestra un ejemplo d un módulo de acuerdo con una modalidad de la invención. La caja de un módulo puede ser fabricada de un material de ABS que puede ser maquinado fácilmente y producido muy rápidamente. En otras implementaciones, la caja del módulo puede ser de otros materiales, tal como un material compuesto, fibra de vidrio o fibra de carbono. En algunos ejemplos, la caja puede ser fabricada de un material que puede proveer algún nivel de aislamiento, tal como un material que puede no ser quemado cuando es expuesto a un arco eléctrico. Una placa de soldadura frontal puede ser incluida para colocar y mantener exactamente las terminales a la caja para reducir deshabilitamiento por esfuerzos de fatiga en las lengüetas de celda. En algunos casos, las lengüetas de celdas pueden ser fabricadas de un metal, tal como aluminio. Conectores de BMS pueden ser integrados a la parte frontal del módulo para conexión rápida de un BMS fuera de borda. Las terminales pueden estar desplazadas y derivadas para interacción vertical de pernos de anexión y facilidad de montaje. Los módulos pueden ser aislados entre si para proteger contra corto circuito potencial. Esto se puede llevar a cabo por medio de la selección cuidadosa de materiales y posprocesamiento de los disipadores térmicos. Si se detecta un corto a través del BMS, el sistema puede desconectar cada paquete en la cadena, lo que puede aislar las fallas. Este nivel de seguridad puede estar incluido en el caso de un choque mayor o falla del sistema de aislamiento.
La Figura 14 muestra un contorno de un soporte móvil de un vehículo de uso pesado, tal como un autobús con módulos de batería almacenados dentro del piso del vehículo de acuerdo o con una modalidad de la invención. De acuerdo con alunas modalidades, los módulos de batería pueden ser montados dentro de una cavidad de piso del vehículo. Los módulos de batería pueden ser dispuestos en agrupamientos que pueden ser montados individualmente a cavidades de piso desde debajo o de los lados de la estructura de piso del autobús. En algunas modalidades de la invención, pueden haber una pluralidad de cavidades debajo del vehículo de uso pesado, que pueden estar separadas entre si y pueden contener uno o más agrupamientos de módulo de batería. Alternativamente, puede haber una cavidad debajo del vehículo, que puede contener los agrupamientos de módulos de batería. En algunas modalidades, cada paquete de batería puede tener su propio compartimiento dentro del piso del autobús. En algunas instancias, cada paquete de batería puede ser aislado físicamente de los otros paquetes de batería. Algunos de los paquetes de batería pueden ser conectados eléctricamente entre sí en una cadena, pero pueden de otra manera estar aislados eléctricamente entre sí.
En modalidades alternativas de la invención, las baterías pueden ser integradas a otras partes del vehículo pesado. Por ejemplo, las baterías pueden ser montantadas en la parte frontal, posterior, superior o lateral del vehículo. En algunas implementaciones, las baterías pueden ser distribuidas en diferentes sitios en el vehículo. Por ejemplo, algunas de las ¦ baterías pueden ser almacenadas dentro del piso del vehículo mientras que algunas de las baterías pueden ser almacenadas encima del vehículo. Se puede usar cualquier combinación de sitios de almacenamiento de baterías .
La Figura 15 muestra un arreglo de empaque de celdas de batería de 200 Ah de acuerdo con modalidades de la invención. Las celdas de batería pueden ser dispuestas en una configuración longitudinal o a lo ancho o una mezcla de ambas, en relación con la orientación del módulo. Las celdas de batería pueden también ser apiladas o una sobre la otra dentro del módulo. Dependiendo de las dimensiones respectivas de las celas de batería y el modulo y permitir el espacio apropiado para otros elementos del módulo de batería que no son mostrados, tales como conexiones entre las celdas de batería, barras de distribución, sistemas de manejo de batería o sistemas de manejo térmico. Las celdas de batería de 200 Ah pueden utilizar un diseño de lata o caja de acero inoxidable que optimiza la utilización de espacio dentro de la celda mientras que también provee buena disipación de calor. El diseño de lata o caja de acero inoxidable es también robusto y puede proteger la celda de batería contra daños potenciales que puede pesar más que otros de diseño comparable .
La Figura 16 muestra un arreglo de empaque de celdas de batería de 50 Ah dentro de un módulo de acuerdo con modalidades de la invención. Similar al arreglo mostrado en la Figura 15, las celdas de batería pueden ser dispuestas en una configuración longitudinal o a lo ancho o una mezcla de ambas en relación con la orientación del módulo. Las celdas de batería pueden también ser apiladas unas sobre la otra dentro del módulo dependiendo de las dimensiones respectivas de las celdas de batería y el modulo y permitir espacio apropiado para otros elementos del módulo de batería que no son mostrados, tales como conexiones entre las celdas de batería, barras de distribución, sistemas de manejo de baterías o sistemas de manejo térmico. Las celdas de batería de 50 Ah pueden utilizar un empaque encapsulado que provee significativamente menos peso que los diseños de lata o caja de acero inoxidable. Sin embargo, el empaque encapsulado puede retener más calor y proveer menos disipación térmica que otros diseños de caja comparables. Mientras que no es mostrado, también es posible configurar las celdas de batería para ser colocadas directamente a paquetes de batería, removiendo así el nivel del módulo.
Otros tipos adicionales de celdas de batería pueden también ser usados en los módulos de acuerdo con modalidades de la invención. Por ejemplo, celdas de saco prismático y otros tipos alternativos pueden ser usados. Celdas de batería adicionales pueden también ser colocadas dentro del módulo para encajar a la configuración de diseño especifico del sistema de almacenamiento de energía, sujeto a restricciones de peso y dimensionales. Los módulos pueden también ser apilados uno sobre el otro utilizando placas de enfriamiento u otra tecnología para aislar y separar los módulos entre sí para un desempeño mejorado.
Otra queja o deficiencia común para dimensionar hacia arriba un sistema de almacenamiento de energía para obtener velocidades de carga rápidas es que puede dar como resultado capacidad de batería en exceso que no es realmente usada si el SOC es de un solo ciclo dentro de ciertos requerimientos de intervalo. Esto puede ser visto por algunos como uso desperdicio del almacenamiento de energía costoso. Sin embargo, el utilizar tal estrategia tiene beneficios potenciales. Por ejemplo, el tener un intervalo amplio de SOC utilizable puede permitir diferentes estrategias de carga durante el curso del día.
La Figura 17 muestra varias configuraciones de carga rápida que pueden ser usadas para sistemas de diferente capacidad de carga de acuerdo con modalidades de la invención. La primera configuración de carga a la izquierda utiliza una química de batería de LTO con SOC relativamente poco en exceso, lo que da como resultado en que la configuración de carga sea llenada casi completamente durante cada carga rápida. La segunda configuración de carga utiliza una química de batería de LFP pero es similar a la primera en que el intervalo de ciclos de SOC es similar entre las dos configuraciones de carga permitiendo el uso de un horario de carga establecido similar como el usado en la primera configuración de carga. El intervalo de ciclo de SOC puede ser ajustado para ser el "punto dulce" de las celdas de batería usadas en el sistema de almacenamiento de energía lo que puede maximizar la vida de las celdas de batería y reducir el costo de propiedad. Por ejemplo, el intervalo de ciclo óptimo puede ser de 10-40% de carga total, 20-60% de carga total u otro intervalo dependiendo de las celdas de batería usadas y la configuración especifica usada en el sistema de almacenamiento de energía. La segunda configuración de carga tiene un SOC en exceso mucho más grande que puede o no puede ser usado durante la operación del sistema. La tercera configuración de carga desplaza el intervalo de ciclos de SOC a un nivel mucho más alto de la carga total, lo que puede permitir mayor flexibilidad en si el vehículo eléctrico debe regresar la recarga. La cuarta configuración de carga es un sistema más pequeño con menos capacidad de carga que tiene un intervalo de ciclos de SOC similar como las primeras y segundas configuraciones de carga, pero con una cantidad más pequeña de SOC en exceso que la segunda configuración de carga. Otras configuraciones de carga podrían también ser usadas de acuerdo con modalidades de la invención, dependiendo de la capacidad de carga total del sistema, el uso deseado del sistema y la configuración especifica del sistema entre otros factores. Por ejemplo, una configuración de carga similar a aquella para la tercera configuración de carga podría ser usada para un sistema de 80 KWh, aunque con un límite de SOC más bajo reducido debido a la capacidad más pequeña del sistema.
La Figura 18 muestra una gráfica que muestra los ciclos de SOC pára un horario establecido para la carga por hora de un vehículo eléctrico en una ruta fija de acuerdo con una modalidad de la invención. En cada periodo predeterminado (una hora en esta instancia), el vehículo eléctrico viaja por su ruta y el SOC del sistema de almacenamiento de energía es agotado del nivel a lo alto del intervalo de ciclos de SOC a un nivel más bajo en la conclusión de la ruta. El vehículo puede efectuar ciclos a través de su SOC en aproximadamente 30-40% de la mitad inferior de su intervalo cada hora. Enseguida de la consumación de la ruta el vehículo eléctrico es recargado rápidamente a lo alto de su nivel de ciclos de su SOC y puede continuar en su ruta teniendo un SOC similar durante el comienzo de su ruta previa. El intervalo de ciclos de SOC puede ser seleccionado para coincidir con el "punto dulce" de las celdas de batería usadas en el sistema de almacenamiento de energía lo que puede maximizar la vida de las celdas de batería. Una ventaja adicional de usar un horario de carga establecido es fácil de usar, ya que un solo horario de carga puede ser usado para el vehículo eléctrico en todo el día y horarios de carga adicionales no son necesarios. Esto puede reducir la complejidad de la programación requerida para la carga, descrita en más detalle posteriormente en la presente.
La Figura 19 muestra una gráfica que muestra los ciclos de SOC para un horario variable para la carga por hora de un vehículo eléctrico en una ruta fija de acuerdo con una modalidad de la invención. La capacidad de SOC en exceso del vehículo puede permitir alguna flexibilidad cuando los ciclos de SOC toman lugar, también como si un evento de carga tomar lugar cada hora. Por ejemplo, un vehículo eléctrico se puede cargar plenamente en la noche, como se muestra en la configuración de carga de las 6:00 AM con el vehículo en carga pico. La configuración de carga de 6:00 AM muestra una cantidad mínima de SOC no disponible, con un límite de SOC más bajo grande que puede ser usado periódicamente para extender el intervalo del vehículo como sea necesario sin necesidad de regresar a la recarga. Por ejemplo, una capacidad de energía grande puede permitir que el vehículo eléctrico sea cargado plenamente en la noche y conducir en las horas de la mañana con ciclos de SOC dentro de la mitad superior de su intervalo. A medida que la proporción de demanda de electricidad se incrementa durante el día debido a la carga de la red eléctrica de servicio incrementada, el vehículo eléctrico puede hacer uso del SOC en exceso a bordo para minimizar o evitar la carga durante horas pico, desplazando mediante esto los ciclos de SOC a la mitad inferior de su intervalo, hasta que el vehículo eléctrico regresa a la carga o concluye su ruta al final del día. Esto puede reducir el costo de operación para el propietario del vehículo eléctrico al tomar ventaja de tarifas de electricidad más bajas en la noche, cuando la demanda es más baja, en comparación con cargar consistentemente el vehículo durante el día cuando la proporción de demanda de electricidad es más alta.
En otra modalidad de la invención, la carga portada en los sistemas de almacenamiento de los vehículos eléctricos puede también ser vendida de regreso a la red de energía de servicios en tiempos de demandas picos cuando las demandas tarifas de electricidad son particularmente altas. Esto requiere que el vehículo eléctrico sea atracado en su estación de carga y que la infraestructura apropiada e inversores estén presentes para permitir que la carga sea vendida de nuevo a la red eléctrica de servicios. Esto provee flexibilidad adicional al propietario u operador del vehículo eléctrico y el sistema de carga en que cualquier SOC puede ser devuelto a la red de energía de servicio en tiempos de demanda pico a una tarifa más alta, disminuyendo así el costo de operación total del vehículo eléctrico. Esta opción puede no estar presente para vehículos eléctricos que no fueron diseñados con SOC en exceso de sus requerimientos operacionales y pueden usar todo su SOC para completar sus rutas de tránsitos normales, con poco SOC en exceso disponible para vender de nuevo a la red de energía de servicios.
La Figura 20 muestra una matriz de decisión con diferentes consideraciones que se pueden aplicar a la carga en tiempo real de un vehículo eléctrico en una modalidad de la invención. El vehículo eléctrico puede utilizar un sistema de carga y conexión como se describe en la Solicitud de Patente Estadounidense 61/328,152 intitulada, "Systems and Methods for Automatic Connection and Charging of an Electric Vehicle at a Charging Station", que es incorporada en la presente por referencia. Implementaciones de la invención pueden usar un sistema de control de proceso de carga de batería automático que controla la carga del vehículo eléctrico con mínima o ninguna entrada del conductor. El sistema de control de proceso de carga de batería puede estar ubicado en el vehículo eléctrico que se comunica con la estación de carga utilizando ya sea una señal inalámbrica o cableada. Alternativamente, el sistema de control de proceso de carga de batería puede también estar ubicado en la estación de carga, que se comunica con emisores y transmisores de señal a bordo del vehículo eléctrico.
La matriz de decisión de carga en tiempo real puede tomar en cuenta un numero de diferentes factores cuando se determina como y que tan rápido cargar el sistema de almacenamiento de energía. En primer lugar, la hora del día y el tiempo pronosticado pueden ser tomados en consideración. Las temperaturas más altas pueden conducir a desempeño incrementado, pero a riesgo de vida de la celda de batería disminuida, mientras que las temperaturas más bajas dentro del intervalo de operación de las celdas de batería puede permitir una vida de la celda de batería incrementada. Los efectos térmicos externos del tiempo pronosticado y la hora del día pueden ser considerados en los cálculos de carga, con carga adicional que toma lugar si se pronosticó tiempo cálido o durante la noche o temprano en la mañana par a tomar en cuenta la vida de la batería reducida más tarde durante el día. Inversamente, menos carga puede ser efectuado cerca de final del día cuando las temperaturas comúnmente son más bajas o si se predice tiempo frió. El manejo térmico mejorado puede mejorar espectacularmente la vida de las celdas de batería al mantener la temperatura de operación de las celdas dentro de un intervalo óptimo, que puede ser un intervalo estrecho alrededor de 10°C, 15°C, 20°C, 25°C, 30°C, 35°C u otros intervalos. El tiempo pronosticado puede también ayudar a predecir la carga de HVAC del vehículo predicha y el intervalo del vehículo estimado también.
La matriz de decisión de carga en. tiempo real puede también tomar en cuenta la proporción de demanda y la carga en la red de energía de servicios al determinar cómo y qué tan rápido cargar. Como se describe anteriormente en la Figura 19, el sistema de control de proceso de carga de batería puede evitar la carga en tiempos cuando la proporción de demanda es alta para reducir el costo de operación y tener el vehículo eléctrico en operación en lugar del SOC en exceso contenido dentro del sistema de almacenamiento de energía sobre dimensionado. Si se pronosticó tiempo- cálido y la proporción de demanda de la red de energía es alta, el sistema de control de proceso de carga de batería puede reducir la cantidad de carga en cada parada o no cargar hasta más tarde o durante el día. Por ejemplo, se podría tomar una decisión de cargar durante un periodo de demanda pico en la red de energía de servicios si el intervalo predicho del vehículo eléctrico es insuficiente para llegar a la siguiente estación de carga, en base al SOC restante, condiciones del tiempo pronosticadas, consumo predicho y otros factores. Si el vehículo puede llegar a la siguiente estación de carga, entonces un evento de carga de costo más alto puede ser evitado .
El SOC restante puede ser también tomado en cuenta para determinar si y cuanto el vehículo eléctrico debe ser cargado. Por ejemplo, el vehículo eléctrico puede incorporar controladores de carga u otros circuitos para monitorear y determinar el SOC restante en el sistema. La cantidad de SOC puede ser comunicada al sistema de control de proceso de carga de batería para determinar si el vehículo eléctrico debe ser cargado y los parámetros de carga apropiados. Si hay poco SOC restante en el sistema de almacenamiento de energía, el vehículo eléctrico puede ser cargado rápido para rellenar el nivel de SOC a una capacidad utilizable. Si permanece una cantidad grande de SOC, el sistema de control de proceso de carga de batería podría decidir recargar el sistema para mantener el SOC a un alto nivel para proveer flexibilidad adicional para operación más tarde durante el día o decidir no cargar o solamente cargar el sistema de almacenamiento de energía una cantidad menor. En algunas instancias, el SOC restante puede ser comunicado al conductor del vehículo como una pantalla en el tablero de instrumentos del vehículo que indica el SOC de la batería de manera similar como un manómetro de combustible. Después de la carga, se puede mostrar un manómetro de combustible lleno.
En algunas modalidades, el consumo predicho hasta la siguiente oportunidad de carga puede ser tomada en consideración. Por ejemplo, una carga requerida total (K h) puede ser confeccionada en base al conocimiento histórico de consumo de energía del vehículo. El uso histórico, requerimientos futuros predichos y conocimiento de las cargas eléctricas y horarios de proporción deben ser considerados y usados tanto para ajustar la proporción de carga y frecuencia de carga del vehículo con el fin de minimizar o reducir las cargas de demanda eléctrica y hacer el uso más eficiente del almacenamiento de energía a bordo. Por ejemplo, si la siguiente carga predicha del vehículo se predice que ocurrirá en un corto intervalo y el estado de carga de batería es suficientemente alto, puede ser deseable proveer solo carga mínima al vehículo. En otro ejemplo, si se predice que la siguiente carga ocurrirá después de un intervalo largo, puede ser deseable cargar el vehículo más. Las características de ruta del vehículo eléctrico tales como cambios de elevación, tráfico durante diferentes horas del día pueden también ser tomados en consideración.
Se pueden ganar varias ventajas al usar una matriz de decisión de carga en tiempo real en contraposición con usar un horario de carga establecido. En primer lugar se pueden obtener costos más bajos al optimizar el proceso de carga rápida para cargar de antemano durante los tiempos pico y cargar en lugar de esto cuando la proporción de demanda y la carga en la red de energía de servicios es baja. Una vida de batería incrementada y costos de capitales más bajos pueden también ser obtenidos al utilizar otros métodos de carga, tal como carga lenta, carga dividida, carga pulsada, carga de ráfaga, carga rápida u otros mecanismos de carga en tiempos cuando la carga rápida no es necesario, tal como la noche para vehículos eléctricos que operan normalmente durante el día. Un intervalo de viaje incrementado puede también ser obtenido al cargar el vehículo eléctrico plenamente cuando el vehículo eléctrico se va a embarcar en una ruta más larga o cuando el consumo predicho de energía antes de la siguiente oportunidad de descarga es alto. Las ventajas enlistadas en la presente no pretenden ser exclusivas y otras ventajas pueden ser obtenidas que son evidentes para aquellos de habilidad en el arte.
Las modalidades de la invención pueden también utilizar un esquema de carga dividida durante la carga rápida para mejorar la vida de las celdas de batería usadas dentro de un sistema de almacenamiento de energía. La vida de una celda de batería puede ser calculada de muchas maneras diferentes: 100% de profundidad de descarga utilizando velocidades de descarga/descarga equivalentes, 100% de profundidad de descarga utilizando velocidades de carga rápida/descarga más lenta < 100% de profundidad de descarga o rendimiento de W-h acumulativo. En general, la vida de la mayoría de las celdas de batería disminuye extensamente dependiendo tanto de la profundidad de descarga (DoD) de la batería en uso típico. Para la mayoría de los tipos de batería por ejemplo, la descarga de una batería repetidamente a su profundidad de descarga puede reducir extensamente la vida de la celda de batería. Al restringir la profundidad de descarga de las celdas de batería a un nivel más alto, puede ser posible mejorar la vida de las celdas de batería. La Figura 21 muestra una gráfica que muestra niveles de carga durante un evento de carga rápida que utiliza un esquema de carga dividida de acuerdo con una modalidad de la invención. A las 8:00 AM la carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía, pero la carga continua es interrumpida parcialmente. El nivel de carga es luego estirado una cantidad pequeña y luego se reanuda la carga rápida. Este proceso de estiramiento puede ser efectuado con un numero de métodos diferentes que miden la carga efectivamente y rápidamente sin desperdiciar una cantidad significativa de energía, incluyendo apagado de los motores del vehículo temporalmente, rampa hacia arriba del HVAC del vehículo, cierre de una tapa extra o batería secundaria, poner en operación el cargador brevemente como disipador de carga o una combinación de los anteriores. Por ejemplo, la carga puede ser cerrada a un dispositivo de almacenamiento de energía alternativo o la carga puede ser extraída por el cargador y almacenada en un sistema de almacenamiento de energía. Por ejemplo, la carga se puede reanudar utilizando parámetros de carga similares como durante el periodo de carga rápida inicial o diferentes parámetros pueden también ser usados. Al dividir o interrumpir el proceso de carga rápida con un breve periodo de estiramiento, el punto de DoD de referencia puede ser restablecido mejorando asi la vida de las celdas de batería.
En tanto que modalidades de esta invención han sido descritas en el contexto del sistema de carga de vehículo eléctrico usados en vehículos eléctricos de uso pesado, otras modalidades de esta solicitud pueden ser aplicables a cualquier aplicación que requiera carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía. Además del uso en sistemas de tránsito, las modalidades de la solicitud podrían también ser usadas en cualquier aplicación de vehículo que corre en un costo total de una proposición de propietario, corre una ruta fija, se beneficia de la carga rápida o es menos concerniente acerca de compra inicial del vehículo.
Se debe entender de lo anterior que, en tanto que implementaciones particulares han sido ilustradas y descritas, varias modificaciones se pueden hacer a la misma y son contempladas en la presente. Tampoco que la invención este limitada por los ejemplos específicos provistos en la especificación. En tanto que la invención ha sido descrita con referencia a la especificación mencionado anteriormente, la descripción e ilustraciones de las modalidades preferidas en la presente no pretenden ser interpretadas en un sentido limitante. Además, se entenderá que todos los aspectos de la invención no están limitadas a las ilustraciones, configuraciones o proporciones relativas especificas resumidas en la presente que dependen de una variedad de condiciones y variables. Varias modificaciones en forma y detalle de las modalidades de la invención serán evidentes para la persona experimentada en el arte. Se contempla por consiguiente que la invención también cubrirá cualesquiera de tales modificaciones, variaciones y equivalentes.
Todos los conceptos de la invención pueden ser incorporados o integrados con otros sistemas y métodos de manejo de batería, incluyendo pero no limitad a aquellos descritos - en la Publicación de Patente Estadounidense 2008/0086247 (Gu et al.), que es incorporada en la presente por referencia en su totalidad.
En tanto qué modalidades preferidas de la presente invención han sido mostradas y descritas en la presente, será obvio para aquellos experimentados en el arte que tales modalidades son provistas a manera de ejemplo solamente. Numerosas variaciones, cambios y sustituciones se les presentaran a aquellos experimentados en el arte sin desviarse de la invención. Se debe entender que varias alternativas a las modalidades de la invención descritas en la presente pueden ser empleadas en la práctica de la invención. Se pretende que las siguientes reivindicaciones definan el alcance de la invención y que los métodos y estructuras dentro del alcance de estas reivindicaciones y sus equivalentes sean cubiertos por las mismas.
Aspectos de los sistemas y métodos descritos en la presente pueden ser implementados como funcionalidad programada a cualquiera de una variedad de circuitos incluyendo dispositivos o lógicos programables (PLD), tales como arreglos de compuerta programables en el campo (FPGA), dispositivos lógicos de arreglo programable (PAL) , dispositivos lógicos y de memoria programables eléctricamente y dispositivos a base de celda estándar también como circuitos integrados específicos de aplicación (ASIC) . Algunas otras posibilidades para implementar aspectos de sistemas y métodos incluyen: micro controladores con memoria, micro procesadores incrustados, elementos fijos, elementos de programación, etc. además, aspectos de los sistemas y métodos pueden ser implementados en micro procesadores que tienen emulación de circuitos a base de elementos de programación, lógicos discretos ( secuenciales y combinatoriales ) , dispositivos sobre diseño, lógicos confusos (red neural), dispositivos cuánticos e híbridos de cualquier de los tipos de dispositivos anteriores. Por supuesto, la tecnología de dispositivos fundamental puede ser provista en una variedad de tipos de componente, por ejemplo tecnologías de transistor de aspecto de campo de semi-conductor de óxido de metal (MOSFET) como semi conductor de óxido de metal complementario (CMOS) , tecnologías bipolares como lógico emisor-acoplado (ECL) , tecnologías de polímeros (polímeros y silicón-conjugados y estructuras de polímero-metal metal-conjugadas) , análogos y digitales mezclados, etc.
Se debe notar que las varias funciones o procesos revelados en la presente pueden ser descritos como datos y/o instrucciones implementados en varios medios que se pueden leer por computadora, en términos de sus características conductuales , de transferencia de registro, componentes lógicos, transistores, geometrías de disposición física y/u otras características. Medios que se pueden leer por computadora en los cuales tales datos y/o instrucciones con formato pueden ser implementados incluyen pero no están limitados a medios de almacenamiento no volátiles en varias formas (por ejemplo, medios de almacenamiento ópticos, magnéticos o de semiconductor) y ondas portadoras que pueden ser usadas para transferir tales datos y/o instrucciones con formato utilizando medios de señalización inalámbricos, ópticos o cableados o cualquier combinación de los mismos. Ejemplos de transferencia de tales datos y/o instrucciones con formato de ondas portadores incluyen pero no están limitados a transferencias (subidas, descargas, correo electrónico, etc.) en internet y/u otras redes de computadora vía uno o más protocolos de transferencia de datos (por ejemplo, HTTP, FTP, SMTP, etc.) . cuando son recibidos en un sistema de computadora via uno o más medios que se pueden leer por computadora, tales expresiones a base de datos y/o instrucciones de componentes y/o procesos bajo los sistemas y métodos pueden ser procesados mediante una entidad de procesamiento (por ejemplo, uno o más procesadores) en el sistema de computadora en conjunción con ejecución de uno o más programas de computadora.
A no ser que se afirme especifique de otra manera, como es evidente de la discusión anterior, se apreciara que en toda la especificación, discusiones que utilizan términos tales como "procesamiento", "computo", "calculo", "determinación" o los semejantes se pueden referir en todo o en parte a la acción y/o proceso de un procesador, computadora o sistema de cómputo, o dispositivo de computo electrónico similar que manipula y/o transforma datos representados como cantidades físicas, tales como electrónicas, dentro de los registros y/o memorias del sistema a otros datos representados similarmente como cantidades físicas en la memoria, registros del sistema u otros dispositivos de almacenamiento, transmisión o exhibición de información. También se apreciara por las personas experimentadas en el arte que el término "usuarios" se refiere en la presente a individuos también como corporaciones y otras entidades legales. Además, los procesos presentados en la presente no están relacionados inherentemente a cualquier dispositivo, articulo u otro aparato de computadora, procesamiento particular. Un ejemplo de una estructura para una variedad de estos sistemas aparecerá de la descripción a continuación. Además, modalidades de la invención no son descritas con referencia a algún procesador, lenguaje de programación, código de máquina, etc. pueden ser usados para implementar las enseñanzas de la invención como se describe en la presente. A no ser que el contexto lo requiera claramente de otra manera, en toda la descripción y reivindicaciones, las palabras "comprender", "que comprende" y los semejantes, serán interpretadas en un sentido inclusivo en contraposición a un sentido exclusivo o exhaustivo; esto es en un sentido de "incluye pero no limitado a", las palabras que usan el número singular o plural también incluyen el número plural o singular respectivamente. Adicionalmente, las palabras "en la presente", "bajo la presente", "por encima" y palabras de importe similar se refieren a esta solicitud como un todo y no como un todo particular de esta solicitud. Cuando la palabra "o" es usada en referencia con una lista de dos o más ítems, la palabra cubre todas las interpretaciones siguientes de la palabra: cualquiera de los ítems en la lista, todos los ítems en la lista y cualquier combinación de los ítems en la lista .
La descripción anterior de modalidades ilustradas de los sistemas y métodos no pretende ser exhaustiva o limitar los sistemas y métodos a la forma precisa revelada. En tanto que modalidades especificas de y ejemplos para los sistema y métodos son descritos en la presente por propósitos ilustrativos, varias modificaciones equivalentes son posibles dentro del alcance de los sistemas y métodos, como aquellos experimentados en el arte relevante reconocerán. Las enseñanzas de sistemas y métodos provistos en la presente pueden ser aplicadas a otros sistemas y métodos de procesamiento, n solamente para los sistemas y métodos descritos anteriormente.
Los elementos y actos de las varias modalidades descritas anteriormente pueden ser combinados para proveer modalidades adicionales. Estos y otros cambios se pueden hacer a los sistemas y métodos a la luz descripción detallada anterior .
En general, las siguientes reivindicaciones, los términos usados no deben ser interpretados para limitar los sistemas y métodos a las modalidades especificas revelada en la especificación y reivindicaciones, sino que deben ser interpretados para incluir todos los sistemas de procesamiento que operan bajo las reivindicaciones. Asi, los sistemas y métodos no están limitados por la revelación, sino que en lugar de esto el alcance de los sistemas y métodos se determinara por completo por las reivindicaciones. En tanto que ciertos aspectos de los sistemas y métodos son presentados a continuación en ciertas formas de reivindicación, . se contempla que los varios aspectos de los sistemas y métodos en cualquier número de formas de reivindicación. Asi, el inventor se reserva el derecho de agregar reivindicaciones adicionales después de la presentación de la solicitud para proseguir tales formas de reivindicación adicionales por otros aspectos de los sistemas y métodos.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES 1. Un sistema de almacenamiento de energía, el sistema está caracterizado porque comprende: una primera pluralidad de celdas de batería, cada una tiene una primera capacidad de velocidad C, la primera pluralidad de celdas de batería pueden ser cargadas a una velocidad equivalente en una base de KWh/minuto como una segunda pluralidad de celdas de batería que cada una tienen una capacidad de velocidad C que es más alta que la primera capacidad de velocidad C. 2. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la carga de la primera pluralidad de celdas de batería a la velocidad equivalente es efectuada sin dañar la primera pluralidad de celdas de batería. 3. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera pluralidad de celdas de batería tienen una primera capacidad de almacenamiento de energía mayor que una segunda capacidad de almacenamiento de energía para la segunda pluralidad de celdas . 4. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 2, caracterizado porque la primera capacidad de almacenamiento de energía es aproximadamente el doble que aquella de la segunda capacidad de almacenamiento de energía. 5. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera pluralidad de celdas de batería tienen una química de fosfato de litio hierro u oxido de níquel cobalto manganeso/carbono duro. 6. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la primera capacidad de velocidad C es de 3C. 7. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda pluralidad de celdas de batería tiene una química de óxido de titanato de litio. 8 El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda capacidad de velocidad C es de 5C. 9. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque un grupo de celdas de batería forman un módulo de batería y un grupo de módulos de batería forman un paquete de batería y un grupo de paquetes de batería forman una cadena y un número variables de cadena están incluidas en el sistema de almacenamiento de energía. 10. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 9, caracterizado porque el sistema de almacenamiento de energía incluye por lo menos dos cadenas. 11. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de almacenamiento de energía es para un vehículo eléctrico. 12. El sistema de almacenamiento de energía de la reivindicación 1, caracterizado porque la proporción equivalente es mayor de 5 KWh/minuto. 13. Un método de carga rápida de un sistema de almacenamiento de energía, el método está caracterizado porque comprende: proveer un primer sistema de almacenamiento de energía, el primer sistema de almacenamiento de energía comprende una primera pluralidad de celdas de batería que tienen una primera capacidad C. cargar el primer sistema de almacenamiento de energía a una velocidad equivalente a un segundo sistema de almacenamiento de energía que comprende una segunda pluralidad d de celdas de batería que tienen una segunda capacidad de velocidad C que es más alta que la primera capacidad C. 14. El método de la reivindicación 13, caracterizado porque la. etapa de cargar el primer sistema de almacenamiento de energía es consumado en 10 minutos o menos. 15. El método de la reivindicación 13, caracterizado porque el primer sistema de almacenamiento de energía tiene una primera capacidad tiene una primera capacidad de almacenamiento de energía mayor que una segunda capacidad de almacenamiento de energía para el segundo sistema de almacenamiento de energía. 15. El método de la reivindicación 15, caracterizado porque el proceso de carga del primer sistema de almacenamiento de energía carga el primer sistema de almacenamiento de energía a aproximadamente el mismo nivel de almacenamiento de energía que resultaría de la carga del segundo almacenamiento de energía por un periodo equivalente y velocidad equivalente. 17. El método de la reivindicación 15, caracterizado porque comprende además descargar y recargar el primer sistema de almacenamiento de energía para realizar ciclos de nivel del sistema de almacenamiento de energía dentro de un intervalo entre cero y la mitad de la primera capacidad de almacenamiento de energía. 18. Un método para cargar selectivamente un sistema de almacenamiento de energía, el método está caracterizado porque comprende: proveer un sistema de almacenamiento de energía y un aparato de carga, recibir información concerniente con uno o más factores que afectan los parámetros de carga para el sistema de almacenamiento de energía almacenamiento de energía y cargar el sistema de almacenamiento de energía con el aparato de carga, el aparato de carga utiliza la información concerniente con uno o más factores que afectan la condiciones de carga que afectan las condiciones de carga para el sistema de almacenamiento de energía, en donde los factores que afectan las condiciones de carga para el sistema de almacenamiento de energía incluyen por lo menos uno de los siguientes: la hora del día para operación del sistema de almacenamiento de energía; el tiempo pronosticado para el área de operación del sistema de almacenamiento de energía la proporción de demanda de electricidad suministrada al aparato de carga; la carga en la red de energía eléctrica de servicios acoplada al aparato de carga; el nivel restante de carga en el sistema de almacenamiento de energía o el consumo predicho del sistema de almacenamiento de energía antes de la etapa de cargar el sistema de almacenamiento de energía pueda ser repetida. 19. El método de la reivindicación 18, caracterizado porque la etapa de carga del sistema de almacenamiento de energía determina cuanta carga será agregada al sistema de almacenamiento de energía y cual proporción de carga debe ser usada . 20. Un método de carga de un sistema de almacenamiento de energía, caracterizado porque comprende: conectar eléctricamente un sistema de almacenamiento de energía a una estación de carga, cargar el sistema de almacenamiento de energía a una primera velocidad; detener la carga del sistema de almacenamiento de energía a una primera velocidad; gastar una cantidad de carga en el sistema de almacenamiento de energía durante un periodo de caída y cargar el sistema de almacenamiento de energía a una segunda velocidad, en donde el proceso de gastar una cantidad de carga en el sistema de almacenamiento de energía en un periodo de caída es efectuado por al menos uno de los siguientes: poner en operación uno o más dispositivos acoplados al sistema de almacenamiento de energía; transferir la carga a un dispositivo de almacenamiento de energía alternativo; transferir la carga de regreso a la estación de carga o poner en operación el cargador como un disipador de carga. 21. El método de la reivindicación 20, caracterizado porque la primera y la segunda velocidad son las mismas. 22. El método de la reivindicación 20, caracterizado porgue el proceso de gastar una cantidad de carga en el sistema de almacenamiento de energía restablece la posibilidad de punto de descarga de referencia.
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