| JP09330851 | ELECTROLYTIC CAPACITOR |
| JP10275738 | ELECTRONIC COMPONENT |
| WO/2000/065615 | POWER ELECTRONICS COMPONENT WITH IMPROVED THERMAL PROPERTIES |
ONANDIA JOVE, Ion (Polígono Industrial Katategi, parcela 3 bis pabellón 1, Irura, E-20271, ES)
NIEVA FATELA, Txomin (Polígono Industrial Katategi, parcela 3 bis pabellón 1, Irura, E-20271, ES)
ONANDIA JOVE, Ion (Polígono Industrial Katategi, parcela 3 bis pabellón 1, Irura, E-20271, ES)
| REIVINDICACIONES 1.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, que está constituido por múltiples condensadores (1) interconectados por medio de pletinas (4), en donde cada condensador (1) presenta unas bornas (2) que están conectadas a una placa (3) de conexiones a donde llegan las señales eléctricas del módulo, caracterizado en que mediante las bornas (2) de los condensadores (1) se establece conexión eléctrica con una única placa (7) de conexiones común a todos los condensadores (1) y amarre mecánico con una placa (6) soporte que va dispuesta entre las bornas (2) y la placa (7) de conexiones; y porque las bornas (2) están sobredimensionadas de modo que definen un canal (8) de refrigeración entre la placa (6) soporte y los condensadores (1), quedando la placa (7) de conexiones aislada de dicho canal (8) de refrigeración mediante la placa (6) de soporte. 2.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el sobredimensionamiento de las bornas (2) se determina mediante un alargamiento (2.1) longitudinal de las propias bornas (2) de los condensadores (1) . 3.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el sobredimensionamiento de las bornas (2) se determina mediante unas piezas supletorias (11) que van asociadas a las bornas (2) respectivas. 4.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el canal (8) de refrigeración presenta una sección superior a 1,5 centímetros, por donde se realiza una circulación de aire forzado, y en donde dicha sección es sensiblemente igual al tamaño de las bornas (2) sobredimensionadas . 5.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el canal (8) de refrigeración está provisto de una refrigeración mediante un fluido refrigerante. 6.- Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que a la altura de la base de las bornas (2) y sobre los condensadores (1) se dispone una lámina (9) orificada de material aislante que hace las funciones de aislamiento eléctrico entre los condensadores (1) colindantes y aporta cohesión estructural al conjunto de condensadores (1) . 7. - Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera y sexta reivindicaciones, caracterizado en que la placa (6) soporte y la lamina (9) orificada apoyan por sus costados laterales en unas tablas (10) que dan rigidez al conjunto y hacen de cierre lateral del canal (8) de refrigeración . 8. - Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el amarre mecánico y la conexión eléctrica se determinan mediante un elemento de sujeción que se inserta en un agujero (12) que atraviesa la placa (7) de conexiones, la placa (6) soporte, la pletina (4) y que se adentra en la borna (2) respectiva. 9. - Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el amarre mecánico se determina mediante un elemento de sujeción que se inserta en un agujero (12) que atraviesa la placa (6) soporte, la pletina (4) y que se adentra en la borna (2) respectiva, mientras que la conexión eléctrica se determina mediante un elemento que se inserta en un agujero (13) que atraviesa la placa (7) de conexiones, la placa (6) soporte, y la pletina (4). 10. - Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que todos los condensadores (1) de un mismo módulo se conectan en serie, determinándose una única entrada (14) y una única salida (15) eléctrica para todo el módulo. 11. - Módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios, de acuerdo con la decima reivindicación, caracterizado en que los condensadores (1) de una misma fila se conectan en línea recta, mientras que cada fila de condensadores (1) se conecta con la siguiente en forma de zig-zag. |
FERROVIARIOS
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica mediante el uso de condensadores de alta capacidad, proponiendo un módulo compacto de almacenamiento de energía para la alimentación eléctrica de los equipos de tracción y sistemas auxiliares de vehículos ferroviarios como tranvías, metros, o trenes.
Estado de la técnica
La reducción de las emisiones de carbono relacionadas con el transporte, en la búsqueda de un futuro sostenible, ha dado como resultado que la propulsión eléctrica se haya convertido en una de las soluciones más eficientes para impulsar medios de transporte público, como puede ser el caso de los tranvías, trenes, metro, autobuses, etc.
Habitualmente, en el caso de los transportes urbanos o interurbanos electrificados, como pueden ser los tranvías, la alimentación eléctrica a los equipos de tracción se hace mediante un sistema articulado de barras situado en el techo del tranvía, que toma la corriente por contacto con una línea aérea (catenaria) . Estas líneas aéreas tienen cada vez menos aceptación en las ciudades debido al impacto visual que generan sobre el entorno, aparte del alto coste económico en infraestructura que implica su utilización.
Para la eliminación de la catenaria se han desarrollado diversas soluciones, una de ellas consiste en la alimentación eléctrica del tranvía a través de un tercer raíl situado en el suelo entre los raíles de guiado, el cual está segmentado en pequeños tramos que son alimentados independientemente, de modo que sólo disponen de corriente eléctrica los tramos por donde circula el tranvía. Estos sistemas pueden ser realizados con contacto directo entre el tranvía y el tercer raíl, o sin contacto, en donde la electricidad no pasa a través de las vías de forma directa, sino que pasa convertida mediante un campo magnético.
Otras soluciones para la eliminación de la catenaria se basan en la utilización de volantes de inercia, sin embargo, el gran desarrollo que han tenido los condensadores y las baterías en los últimos tiempos, han hecho de los acumuladores de energía basados en condensadores y baterías una de las soluciones más significativas para la propulsión de vehículos eléctricos.
Los acumuladores se constituyen por varios módulos de almacenamiento de energía interconectados entre sí para la alimentación de los equipos de tracción y sistemas auxiliares del tranvía, estos módulos suelen ir dispuestos en el techo del tranvía y se recargan en parte mediante la energía cinética recuperada de las frenadas, de manera que no es necesario establecer una conexión continua con la catenaria.
Los módulos de almacenamiento de energía convencionales están formados por múltiples condensadores de alta capacidad, conocidos como supercondensadores , condensadores de doble capa, o ultracondensadores, los cuales pueden ir apoyados por un conjunto de baterías. En los módulos convencionales los condensadores están relacionados con una electrónica de potencia y una electrónica de control que se disponen en contacto directo, es decir, las bornas de cada condensador del módulo se conectan directamente con una placa de conexiones que se dispone inmediatamente contigua en su parte superior. Está disposición es contraproducente, ya que en las bornas de los condensadores se alcanzan elevadas temperaturas, lo que puede afectar al comportamiento de la electrónica de control.
En este caso, para refrigerar las bornas una corriente de aire forzado pasa por el espacio definido entre la parte superior del condensador y la placa de conexiones, pero la superficie de refrigeración que se establece es muy pequeña debido al reducido tamaño de la borna del condensador, y además, el comportamiento de la electrónica de control puede verse afectado por la humedad que pueda portar el aire, ya que las bornas a refrigerar están en contacto directo con la placa de conexiones .
Existen soluciones de módulos de almacenamiento de energía en donde la electrónica de potencia y la electrónica de control se encuentran separadas, en estos casos en un lateral del módulo y apartada de éste se dispone una placa de conexiones, a la cual se llevan una multiplicidad de cables provenientes de las bornas de los condensadores, en este caso se resuelve el problema asociado a la temperatura en la placa de conexiones, pero no en el cableado entre ésta y las bornas. Esta solución implica una problemática de montaje e instalación, posibles fallos en la conexión del cableado, así como un aumento del tamaño del módulo asociado con problemas de espacio, lo cual es contradictorio con las necesidades actuales, ya que al ir montado el módulo en el propio tranvía, debe ocupar poco espacio y ser lo más ligero y compacto posible.
Se hace por tanto necesario disponer un módulo de almacenamiento de energía para el uso en aplicaciones ferroviarias que sea compacto y ligero, en donde la electrónica de potencia (las bornas de los condensadores) y la electrónica de control (la placa de conexiones) se encuentren separadas para evitar posibles fallos asociados a la temperatura o a la humedad del aire, y que no presente cables ni conectores intermedios para poder optimizar el espacio.
Objeto de la invención
De acuerdo con la presente invención se propone un módulo de almacenamiento de energía para la alimentación eléctrica de equipos de tracción y sistemas auxiliares de vehículos ferroviarios, que presenta una estructura ligera y compacta, y en donde la electrónica de control se encuentra aislada de la electrónica de potencia.
El módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios objeto de la invención está constituido por una pluralidad de condensadores interconectados en serie, en donde cada condensador del módulo presenta una pareja de bornas que establecen una conexión eléctrica con una única placa de conexiones común a todos los condensadores, y establecen igualmente un amarre mecánico con una placa soporte que va dispuesta entre las bornas y la placa de conexiones. Las bornas de los condensadores están sobredimensionadas de modo que definen un canal de refrigeración entre la placa soporte y los condensadores, quedando la placa de conexiones aislada de dicho canal de refrigeración mediante la placa de soporte .
Con esta configuración estructural se consigue solucionar los problemas relacionados con las soluciones convencionales, puesto que al estar la placa de conexiones aislada de las bornas de los condensadores no se producen problemas asociados con la temperatura ni con la posible humedad que porte el aire de la refrigeración y, asimismo, al estar las bornas sobredimensionadas en longitud se aumenta la sección del canal de refrigeración y se mejoran las condiciones de refrigeración de las bornas. Por otro lado, al disponer una única placa de conexiones directamente conectada con las bornas de los condensadores, se elimina todo el cableado y con ello sus problemas asociados .
Según un ejemplo de realización preferente de la invención, el sobredimensionamiento de las bornas se determina mediante un alargamiento longitudinal de las propias bornas de los condensadores. Según otro ejemplo de realización de la invención, el sobredimensionamiento de las bornas se determina mediante una pieza supletoria que va a asociada a cada borna de los condensadores.
El canal de refrigeración del módulo de almacenamiento de energía de la invención presenta una sección superior a 1,5 centímetros por donde se realiza una circulación de aire forzado, y en donde está sección es de un tamaño sensiblemente igual al tamaño de las bornas sobredimensionadas, con lo que se consigue mejorar las condiciones de refrigeración de las bornas de los condensadores .
Se ha previsto la posibilidad de que la refrigeración de las bornas se realice mediante un fluido, circulando el fluido refrigerante por el canal de refrigeración sin llegar a entrar en contacto directo con las bornas de los condensadores.
Sobre el conjunto de los condensadores y a la altura de la base de las bornas se dispone una lámina orificada de material aislante, la cual realiza unas funciones de aislamiento eléctrico entre los condensadores colindantes. Por otro lado, esta lámina orificada y la placa soporte presentan un apoyo en sus costados laterales, con unas tablas que aportan una mayor rigidez a todo el conjunto estructural, a la vez que hacen de cierre lateral para el canal de refrigeración, lo cual mejora la disipación del calor que se genera en las bornas de los condensadores cuando la refrigeración se realiza por circulación de aire forzado .
El conjunto formado por la placa soporte, la lamina orificada y las tablas rigidizantes , resulta una estructura ligera y autoportante, ya que está fabricada en resinas compuestas, denominadas como material de composite, y además garantiza un aislamiento eléctrico apropiado del módulo con otros módulos o equipos eléctricos cercanos .
Todos los condensadores de un mismo módulo se disponen conectados en serie, determinándose una única entrada y una única salida eléctrica para todo el módulo y en donde los condensadores de una misma fila están conectados en línea recta, mientras que cada fila de condensadores se conecta con la siguiente mediante una conexión en forma de zig-zag.
Con esta interconexión eléctrica de los condensadores se minimiza la diferencia de tensión entre condensadores colindantes. Igualmente esta configuración facilita la escalabilidad de todo el sistema y permite ampliar la capacidad de acumulación de energía eléctrica de una manera rápida y sencilla, en donde para lógralo sólo hace falta conectar la salida de un módulo con la entrada del siguiente.
Se obtiene así un módulo de almacenamiento de energía que por sus características constructivas y funcionales resulta muy ventajoso, adquiriendo vida propia y carácter preferente para la función de aplicación a la que se halla destinado en relación con el suministro de energía eléctrica para vehículos ferroviarios, aunque esta aplicación no es limitativa, pudiendo ser aplicado en otro tipo de vehículos de transporte, como puede ser el caso de los autobuses híbridos, así como otro tipo de aplicaciones.
Descripción de las figuras
La figura 1A muestra una vista en perspectiva de un modulo de almacenamiento de energía convencional en donde las bornas de los condensadores se encuentran en contacto directo con las placas de conexiones.
La figura IB muestra una vista en alzado respecto de la figura anterior, en la que se observa la sección mínima que presenta el canal de refrigeración. La figura 2A es una vista en perspectiva explosionada de un modulo de almacenamiento de energía según el objeto de la invención, en donde las bornas de los condensadores y la placa de conexiones se encuentran separadas por una placa soporte dispuesta entre ambas.
La figura 2B muestra una vista en alzado respecto de la figura anterior, en donde se define un canal de refrigeración de mayor sección que el convencional.
La figura 3 muestra una vista en sección de un ejemplo de realización del sobredimensionamiento de las bornas del módulo de almacenamiento de energía según la invención .
La figura 4 muestra una vista en sección de otro ejemplo de realización del sobredimensionamiento de las bornas del módulo de almacenamiento de energía.
La figura 5 muestra la interconexión eléctrica establecida entre los condensadores del módulo de almacenamiento de energía.
La figura 6 muestra la interconexión eléctrica de varios módulos de almacenamiento de energía.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1A se muestra un módulo de almacenamiento de energía convencional, el cual está formado por múltiples condensadores (1) interconectados . Cada condensador (1) del módulo presenta dos bornas (2), una para el terminal positivo y otra para el terminal negativo. Por encima de las bornas (2) y directamente conectadas a éstas se sitúan unas placas (3) de conexiones a donde llegan las señales eléctricas del módulo, disponiendo cada condensador (1) de una placa (3) de conexiones.
Los condensadores (1) de una misma fila están interconectados en serie por medio de unas pletinas (4) que conectan la borna (2) positiva de un condensador (1) con la borna (2) negativa del siguiente condensador
(1) , o viceversa. La ampliación de la capacidad de acumulación de energía eléctrica de este módulo se realiza conectando, a la salida de cada fila de condensadores (1), otro módulo de almacenamiento de energía .
Con esta disposición de montaje convencional, la electrónica de potencia del módulo, es decir las bornas
(2) de los condensadores (1), se encuentra directamente conectada con la electrónica de control del módulo, es decir la placa (3) de conexiones, esto provoca que la alta temperatura que alcanzan las bornas (2) afecte a las conexiones y señales eléctricas extraídas desde las placas (3) de conexiones, ya que por las bornas (2) circulan corrientes elevadas en donde se disipa gran cantidad de calor (del orden de centenares de Amperios ) .
La refrigeración de las bornas (2) de los condensadores (1) se realiza mediante la circulación de aire forzado por un canal (5) de refrigeración definido entre las placas (3) de conexiones y la superficie superior de los condensadores (1), este canal (5) de refrigeración presenta una sección transversal que coincide con la altura de las bornas (2) (sensiblemente inferior a la de las bornas propuestas por la invención, del orden de menos de 1,5 centímetros), lo cual puede ser insuficiente para una correcta refrigeración de las bornas (2), además de presentar el problema de que la electrónica de control entra en contacto directo con el aire forzado. (Ver figura IB) .
El módulo de almacenamiento de energía para vehículos ferroviarios objeto de la invención resuelve los problemas anteriormente comentados, separando la electrónica de control de la electrónica de potencia y definiendo un canal de refrigeración de sección suficiente para realizar una correcta refrigeración de las bornas (2) de los condensadores (1) .
En la figura 2A se muestra una vista en perspectiva explosionada del módulo de almacenamiento de energía objeto de la invención, el cual se constituye por múltiples condensadores (1) de alta capacidad que presentan cada uno unas bornas (2) sobredimensionadas , las cuales son los terminales positivo y negativo de los condensadores (1) . Las bornas (2) sobredimensionadas se disponen conectas entre sí por medio de unas pletinas (4), situándose por encima de éstas una placa (6) soporte, de un material ligero y con propiedades de aislamiento eléctrico, que hace de apoyo para una única placa (7) de conexiones común a todos los condensadores (1) .
Así, las bornas (2) sobredimensionadas cumplen una doble función, por un lado hacen de amarre mecánico con la placa (6) soporte que rigidiza todo el módulo, y por otro lado hacen de conexión eléctrica con la placa (7) de conexiones, de manera que las bornas (2) que forman la electrónica de potencia del módulo, por medio de la placa (6) de soporte se encuentran aisladas de la placa (7) de conexiones que forma la electrónica de control del módulo.
Como se observa en la figura 2B, el sobredimensionamiento de las bornas (2) permite la definición de un canal (8) de refrigeración con una sección suficiente como para disipar de una manera eficiente el calor generado en las bornas (2) . Se ha previsto que una sección apropiada para el canal (8) de refrigeración sea superior a 1,5 centímetros de altura, coincidiendo aproximadamente con el tamaño de las bornas (2) sobredimensionadas.
El canal (8) de refrigeración que da acceso directo a las bornas (2) se encuentra aislado de la placa (7) de conexiones, pudiendo ser válido este canal (8), tanto para una refrigeración por aire forzado, como para una refrigeración mediante un fluido, en donde el fluido refrigerante circule por el canal (8) de refrigeración sin llegar a entrar en contacto directo con las bornas (2) de los condensadores (1).
En las figuras 2A y 2B se observa que en el extremo superior de los condensadores (1), a la altura de la base de las bornas (2) se dispone una lámina (9) orificada, de un material plástico resistente o análogo, que hace las funciones de aislamiento eléctrico entre los condensadores (1) colindantes y aporta cohesión estructural al conjunto de los condensadores (1).
Para dar mayor rigidez a todo el conjunto, se ha previsto que la placa (6) soporte y la lamina (9) orificada apoyen por sus costados laterales en unas tablas (10) rigidizantes , de modo que, por un lado, confieren mayor rigidez al módulo, y por otro lado, sirven de cierre para los costados laterales del canal (8), mejorando la refrigeración cuando ésta funciona por circulación de aire forzado.
En la figura 3 se muestra un ejemplo de realización preferente de la invención, en donde el sobredimensionamiento de las bornas (2) se realiza mediante un alargamiento (2.1) longitudinal de las propias bornas (2) de los condensadores (1) . En esta realización se observa que coincidiendo con cada borna (2) se define un agujero (12) que atraviesa la placa (7) de conexiones, la placa (6) soporte, la pletina (4) y que se adentra en la borna (2), de manera que mediante la inserción de un elemento de sujeción conductor, como por ejemplo un tornillo, en dicho agujero (12), se establece el amarre mecánico y la conexión eléctrica.
En un ejemplo de realización, representado en la figura 4, se observa como el sobredimensionamiento de las bornas (2) se realiza mediante una pieza (11) supletoria que va asociada a una borna (2) convencional. En este caso el agujero (12) atraviesa la placa (6) soporte, la pletina (4) y se adentra en la borna (2), estableciéndose mediante la inserción de un elemento de sujeción el amarre mecánico, mientras que la conexión eléctrica con las bornas (2) se realiza, por ejemplo, mediante un tornillo que se inserta en un agujero (13) que atraviesa la placa (7) de conexiones, la placa (6) soporte, y la pletina (4) .
En la figura 5 se observa la interconexión eléctrica del módulo de almacenamiento de energía, en donde todos los condensadores (1) del módulo se encuentran conectados en serie por medio de pletinas (4) que conectan la borna (2) positiva de cada condensador (1) con la borna (2) negativa del siguiente condensador (1), de manera que los condensadores (1) de una misma fila se conectan en linea recta, y una fila de condensadores (1) se conecta con la siguiente en forma de zig-zag.
Esta configuración permite disponer de una única entrada (14) y una única salida (15) eléctricas para todo el módulo, asi mismo esta interconexión eléctrica de los condensadores (1) minimiza la diferencia de tensión entre condensadores (1) colindantes. Según este concepto, y puesto que el número de condensadores (1) de la figura 5 son 16 dispuestos en filas de 4, la máxima diferencia de tensión entre dos condensadores (1) colindantes de un mismo módulo de 16 condensadores (1) será de 8 veces la tensión entre las bomas (2) de un condensador (1), es decir la diferencia de tensión entre los condensadores (1) colindantes situados en el extremo de cada fila. Esto permite garantizar unas distancias de aislamiento mínimas, que contribuyen a la realización de un módulo de almacenamiento muy compacto. Esta configuración de 16 condensadores no es limitativa, pudiendo presentar el módulo de almacenamiento de energía una configuración alternativa en número de condensadores (1) y filas.
La estructura formada por la placa (6) soporte, la lamina (9) orificada y las tablas (10) rigidizantes , es una estructura ligera y autoportante fabricada en resinas compuestas (composite) , la cual además garantiza un aislamiento eléctrico apropiado del módulo con otros módulos o equipos eléctricos cercanos. En la figura 6 se muestra la interconexión eléctrica de varios módulos de almacenamiento de energía según la invención, en donde para ampliar la capacidad de acumulación de energía eléctrica del módulo basta con conectar la salida (15) de un módulo con la entrada (14) del siguiente, lo cual facilita la escalabilidad de todo el sistema.
En las figuras los condensadores (1) se han representado con una configuración circular, aunque pudieran ser supercondensadores, condensadores de doble capa, o ultracondensadores, de cualquier tipo y configuración geométrica conocida.
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