IT201800009787A1 - Sistema per il raffreddamento di moduli di batteria rimovibili in un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida. - Google Patents

Sistema per il raffreddamento di moduli di batteria rimovibili in un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida. Download PDF

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battery module
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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Sistema per il raffreddamento di moduli di batteria rimovibili in un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda in generale un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida, e più specificamente un autoveicolo provvisto di un sistema di batterie modulare.
Com'è noto, l'elevato costo di un veicolo a trazione elettrica o ibrida è dovuto principalmente all'elevato costo delle celle delle batterie. Per ovviare a tale inconveniente, sono stati introdotti sistemi di batterie modulari, vale a dire sistemi di batterie comprendenti uno o più moduli di batteria fissi e uno o più moduli di batteria aggiuntivi che possono essere installati o disinstallati a seconda delle esigenze.
La figura 1 dei disegni allegati mostra in vista dal basso un veicolo a trazione elettrica o ibrida, complessivamente indicato con V, equipaggiato con un complesso di alimentazione elettrica includente una pluralità di moduli di batteria ricaricabili B1 e B2, collocati in un apposito vano di alloggiamento in corrispondenza del pianale del veicolo, per l'alimentazione di un sistema di propulsione elettrico del veicolo, nonché un sistema di gestione delle batterie BMS cui sono collegati i moduli di batteria B1 e B2. I moduli di batteria B1 (due moduli, nell'esempio di realizzazione illustrato), di seguito indicati come moduli di batterie fissi, sono permanentemente installati a bordo del veicolo, e dunque permanentemente collegati al sistema di gestione delle batterie BMS, mentre i moduli di batteria B2 (anch'essi in numero di due, nell'esempio di realizzazione illustrato), di seguito indicati come moduli di batteria rimovibili, sono installabili a richiesta a bordo del veicolo e rapidamente sostituibili mediante semplice estrazione (laterale, come indicato mediante frecce F in figura 1, o posteriormente) dal veicolo. I moduli di batteria rimovibili B2 sono collegabili mediante rispettivi connettori N al sistema di gestione delle batterie BMS.
E' dimostrato che, quando una cella di batteria viene sottoposta a una fase di scarica o di carica, soprattutto a un ciclo di carica rapida ("fast-charge"), o a una richiesta di potenza elevata (ad esempio in fase di accelerazione), una parte di energia viene dissipata per effetto Joule sotto forma di calore. Per mantenere costanti nel tempo le prestazioni delle celle di cui una batteria è composta e per incrementarne la vita utile, il calore così generato deve essere opportunamente smaltito. Le soluzioni attualmente previste per il raffreddamento delle batterie sono le seguenti tre: raffreddamento ad aria (con eventuale utilizzo di un evaporatore secondario), raffreddamento a liquido (con eventuale utilizzo di un refrigeratore, o "chiller", ausiliario) e raffreddamento per espansione diretta tramite piastra conduttiva.
Le batterie devono essere mantenute in un ambiente completamente stagno, sicuro e resistente agli urti. D'altra parte, ad eccezione del raffreddamento ad aria, le altre soluzioni di raffreddamento note sopra citate necessitano di collegamenti fra le batterie e l'impianto di raffreddamento. Vi è dunque il problema, in un sistema di batterie modulare quale quello sopra descritto, di garantire un efficace raffreddamento dei moduli di batteria rimovibili.
Scopo della presente invenzione è dunque fornire un sistema per il raffreddamento di moduli di batteria rimovibili di un sistema di batterie modulare di un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida che da un lato consenta di raffreddare efficacemente i moduli di batteria rimovibili e dall'altro garantisca la necessaria tenuta stagna dei moduli di batteria rimovibili.
Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie a un modulo di batteria rimovibile come definito nell'annessa rivendicazione indipendente 1. Forma inoltre oggetto della presente invenzione un circuito di raffreddamento per autoveicolo configurato per essere utilizzato per il raffreddamento di un tale modulo di batteria rimovibile.
In sintesi, la presente invenzione si fonda sull'idea di realizzare un modulo di batteria rimovibile comprendente:
un involucro esterno,
una prima piastra termicamente conduttiva accolta all'interno di detto involucro,
uno o più pacchi batteria accolti all'interno di detto involucro e disposti a contatto con detta prima piastra termicamente conduttiva,
un circuito interno che si estende all'interno di detta prima piastra termicamente conduttiva ed è riempito con un fluido termovettore, e
una seconda piastra termicamente conduttiva che è fluidicamente connessa a detto circuito interno in modo da essere attraversata dal fluido termovettore che scorre in detto circuito interno ed è disposta con una sua faccia esterna all'esterno di detto involucro.
Grazie a una tale configurazione del modulo di batteria, il calore generato dal pacco (o dai pacchi) batteria viene trasmesso per conduzione alla prima piastra e, tramite il fluido termovettore che scorre nel circuito interno, convogliato dalla prima piastra alla seconda piastra, dove può essere smaltito per conduzione all'esterno del modulo di batteria tramite contatto della faccia esterna della seconda piastra con una corrispondente faccia di una piastra a espansione diretta fissata al veicolo in una posizione tale da venire a contatto con la seconda piastra del modulo di batteria quando questo è installato a bordo del veicolo.
Si ottiene in questo modo un sistema di raffreddamento per il raffreddamento dei moduli di batteria rimovibili che innanzitutto permette di ridurre al minimo l'aumento di peso e di costi del veicolo, visto che la maggior parte dei componenti del sistema di raffreddamento sono installati nel modulo di batteria stesso. Inoltre, un tale sistema di raffreddamento, pur utilizzando un fluido termovettore, non necessita di connessioni fra il circuito interno del modulo di batteria e l'impianto di condizionamento del veicolo, e dunque permette di garantire la tenuta stagna del modulo di batteria. Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è rappresentato dall'elevata efficienza di raffreddamento, resa possibile dall'utilizzo di un fluido termovettore per il trasferimento del calore dalla prima piastra alla seconda piastra, e dunque dall'interno all'esterno dell'involucro del modulo di batteria.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:
la figura 1 è una vista dal basso di un autoveicolo a trazione elettrica o ibrida provvisto di un sistema di batterie modulare;
la figura 2 è vista prospettica di un modulo di batteria rimovibile secondo la presente invenzione, utilizzabile nel sistema di batterie modulare dell'autoveicolo di figura 1;
la figura 3 è una vista frontale del modulo di batteria rimovibile di figura 2; e
la figura 4 è una vista schematica dell'impianto di condizionamento dell'autoveicolo di figura 1 e del circuito frigorifero associato al modulo di batteria rimovibile delle figure 2 e 3.
Con riferimento inizialmente alle figure 2 e 3, un modulo di batteria rimovibile utilizzabile in un sistema di batterie modulare quale quello sopra descritto con riferimento alla figura 1 è complessivamente indicato con B2. Come già spiegato in precedenza, il modulo di batteria B2 è montabile a bordo veicolo mediante inserimento lungo una data direzione, preferibilmente una direzione orizzontale (in particolare una direzione longitudinale o una direzione trasversale), ed è smontabile dal veicolo mediante estrazione in verso opposto a quello di inserimento lungo la suddetta direzione.
Il modulo di batteria B2 comprende innanzitutto un involucro esterno 10 e uno o più pacchi batteria 12 (di tipo ricaricabile) accolti all'interno dell'involucro 10. Nell'esempio di realizzazione illustrato nelle figure il modulo di batteria B2 comprende due pacchi batteria 12, ma è comunque possibile prevedere un numero diverso di pacchi batteria.
I pacchi batteria 12 sono disposti a contatto con una prima piastra termicamente conduttiva 14 (di seguito semplicemente indicata come "prima piastra") accolta anch'essa all'interno dell'involucro 10. Preferibilmente la prima piastra 14 è disposta su una parete di fondo 10a dell'involucro 10 e i pacchi batteria 12 poggiano su una faccia superiore 14a della prima piastra 14.
All'interno della prima piastra 14 si estende un circuito interno riempito di un fluido termovettore (ad esempio acqua). Il fluido termovettore viene fatto circolare nel circuito interno tramite una pompa 16, anch'essa accolta all'interno dell'involucro 10. Il circuito interno comprende un tubo d'ingresso 18, che si estende dalla mandata della pompa 16 verso l'interno della prima piastra 14, e un tubo di uscita 20, che fuoriesce dalla prima piastra 14.
Come mostrato nella figura 1, una volta montato a bordo del veicolo il modulo di batteria B2 è connesso mediante connettore N al sistema di gestione delle batterie BMS del veicolo. Oltre a gestire il flusso di energia elettrica da e verso i pacchi batteria 12 del modulo di batteria B2, il connettore N garantisce anche le connessioni elettriche ed elettroniche necessarie da un lato per l'alimentazione della pompa 16 e dall'altro per il controllo della temperatura dei pacchi batteria 12.
Il modulo di batteria B2 comprende inoltre una seconda piastra termicamente conduttiva 22 (di seguito semplicemente indicata come "seconda piastra") che è fluidicamente connessa al circuito interno in modo da essere attraversata dal fluido termovettore che fluisce nel circuito interno. Più specificamente, la seconda piastra 22 è connessa da un lato al tratto di tubo di uscita 20 e dall'altro all'ingresso della pompa 16 tramite un tratto di tubo di collegamento 24. Il fluido termovettore entra quindi nella seconda piastra 22 attraverso il tubo di uscita 20 e fuoriesce da tale piastra attraverso il tubo di collegamento 24, per essere poi fatto fluire tramite la pompa 16 nella rimanente parte del circuito che si estende all'interno della prima piastra 14.
La seconda piastra 22 è solidale all'involucro 10 ed è disposta con una sua faccia esterna 22a all'esterno dell'involucro 10, in modo da garantire la perfetta tenuta stagna del modulo di batteria B2 e da poter essere posta a contatto con una faccia 26a di una rispettiva piastra a espansione diretta 26 montata in modo fisso a bordo del veicolo, come sarà spiegato in dettaglio più avanti.
Fra la seconda piastra 22 e la piastra a espansione diretta 26 è vantaggiosamente previsto uno strato di materiale conduttore morbido al fine di recuperare le tolleranze e un eventuale non perfetto parallelismo fra le rispettive facce 22a e 26a a contatto l'una con l'altra.
Come mostrato nella figura 4, la piastra a espansione diretta 26 è installata lungo un circuito frigorifero ausiliario 28 in cui viene fatto circolare gas refrigerante. Il circuito frigorifero ausiliario 28 comprende una valvola di espansione termostatica 30 (comunemente nota, e qui di seguito indicata, come valvola TXV) disposta in serie alla piastra a espansione diretta 26 per raffreddare quest'ultima, e con essa la seconda piastra 22 del modulo di batteria B2.
Sempre con riferimento alla figura 4, il circuito frigorifero ausiliario 28 per il raffreddamento del/i modulo/i di batteria rimovibile/i B2 è vantaggiosamente integrato con un impianto di condizionamento per il condizionamento dell'aria nell'abitacolo del veicolo. In particolare, nella forma di realizzazione qui proposta il circuito frigorifero ausiliario 28 è connesso tramite una valvola a tre vie 32 e una valvola di non ritorno 34 a un circuito frigorifero principale 36 dell'impianto di condizionamento del veicolo, che comprende - in modo per sé noto - un compressore 38, un condensatore 40, una valvola di espansione termostatica 42 e un evaporatore 44 disposti in serie l'uno rispetto all'altro. Controllando opportunamente la valvola a tre vie 32, il gas refrigerante del circuito frigorifero principale 36 può essere fatto circolare anche nel circuito frigorifero ausiliario 28 per il raffreddamento del/i modulo/i di batteria rimovibile/i B2. Naturalmente, la valvola a tre vie 32 sarà comandata per mettere in collegamento il circuito frigorifero principale 36 con il circuito frigorifero ausiliario 28, e dunque consentire il flusso del gas refrigerante all'interno di quest'ultimo, una volta riconosciuta dal sistema di gestione delle batterie BMS la presenza di almeno un modulo di batteria rimovibile B2.
Anche se nell'esempio di realizzazione di figura 4 è mostrato un solo modulo di batteria rimovibile, potranno naturalmente essere previsti - come già sopra anticipato - più moduli di batteria rimovibili, nel qual caso potranno essere previste o una singola piastra a espansione diretta, posizionata in modo da asservire più moduli di batteria ad essa affacciati, o più piastre a espansione diretta, una per ciascun modulo di batteria. Tutte le piastre ad espansione diretta saranno installate lungo il circuito frigorifero ausiliario 28.
Nel funzionamento, il calore generato dai pacchi batteria 12 viene trasmesso per conduzione alla prima piastra 14 e, tramite il fluido termovettore che scorre nel circuito interno estendentesi all'interno della prima piastra 14, convogliato dalla prima piastra 14 alla seconda piastra 22, dove può essere smaltito per conduzione (o meglio, prevalentemente per conduzione) all'esterno del modulo di batteria B2 tramite contatto della faccia esterna 22a della seconda piastra 22 con la corrispondente faccia 26a della piastra a espansione diretta 26. La circolazione del fluido termovettore nel circuito è gestita dalla pompa 16 sotto il controllo del sistema di gestione delle batterie BMS in modo da mantenere la temperatura dei pacchi batteria 12 all'interno di un dato intervallo di temperatura ottimale.
Si noti che la forma di realizzazione proposta per la presente invenzione ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo. Una persona esperta del settore potrà facilmente attuare l'invenzione in forme di realizzazione diverse che non si discostano dai principi qui esposti e che sono pertanto da considerare ricomprese nell'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di prevedere un numero e/o una disposizione dei moduli di batteria rimovibili diverso rispetto a quanto qui illustrato.

Claims (8)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Modulo di batteria rimovibile (B2) per un sistema di batterie modulare di un autoveicolo (V) a trazione elettrica o ibrida, comprendente: un involucro esterno (10), una prima piastra (14) termicamente conduttiva accolta all'interno di detto involucro (10), almeno un pacco batteria (12) ricaricabile, che è accolto all'interno di detto involucro (10) ed è disposto a contatto con detta prima piastra (14), un circuito interno che si estende all'interno di detta prima piastra (14) ed è riempito con un fluido termovettore, e una seconda piastra (22) termicamente conduttiva che è fluidicamente connessa a detto circuito interno in modo da essere attraversata dal fluido termovettore che scorre in detto circuito interno ed è disposta con una sua faccia esterna (22a) all'esterno di detto involucro (10).
  2. 2. Modulo di batteria secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre una pompa (16) che è accolta all'interno di detto involucro (10) ed è azionabile per fare circolare il fluido termovettore in detto circuito interno.
  3. 3. Modulo di batteria secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre mezzi sensori atti a fornire un segnale indicativo della temperatura di detto almeno un pacco batteria (12) e mezzi di connessione elettrica ed elettronica (N) configurati per consentire la trasmissione del segnale fornito da detti mezzi sensori a un sistema di gestione delle batterie (BMS) dell'autoveicolo (V) e per consentire l'alimentazione di detta pompa (16).
  4. 4. Autoveicolo (V) a trazione elettrica o ibrida con un sistema di batterie modulare comprendente almeno un modulo di batteria fisso (B1), permanentemente installato a bordo dell'autoveicolo (V), almeno un modulo di batteria rimovibile (B2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, e un sistema di gestione delle batterie (BMS) configurato per gestire il funzionamento di detti moduli di batteria (B1, B2).
  5. 5. Autoveicolo secondo la rivendicazione 4, comprendente un circuito frigorifero ausiliario (28) avente almeno una piastra a espansione diretta (26) che è fissata all'autoveicolo (V) ed è atta a essere posta a contatto con detta seconda piastra (22) di detto almeno un modulo di batteria rimovibile (B2), quando detto almeno un modulo di batteria rimovibile (B2) è installato a bordo dell'autoveicolo (V).
  6. 6. Autoveicolo secondo la rivendicazione 5, in cui detto circuito frigorifero ausiliario (28) comprende inoltre una valvola di espansione termostatica (30) disposta in serie a detta almeno una piastra a espansione diretta (26).
  7. 7. Autoveicolo secondo la rivendicazione 5 o la rivendicazione 6, comprendente inoltre un circuito frigorifero principale (36) per il condizionamento dell'aria nell'abitacolo dell'autoveicolo, in cui detto circuito frigorifero ausiliario (28) è connesso a detto circuito frigorifero principale (36) tramite mezzi valvolari di controllo del flusso (32, 34) per consentire in modo controllato il flusso di un gas refrigerante fra detto circuito frigorifero principale (36) e detto circuito frigorifero ausiliario (28).
  8. 8. Autoveicolo secondo la rivendicazione 4 e la rivendicazione 7, in cui detto sistema di gestione delle batterie (BMS) è predisposto per comandare detti mezzi valvolari di controllo del flusso (32, 34) per mettere in comunicazione di fluido detto circuito frigorifero principale (36) con detto circuito frigorifero ausiliario (28) quando almeno un modulo di batteria rimovibile (B2) è installato a bordo dell'autoveicolo (V).
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