IT201900001735A1

IT201900001735A1 - Sistema ausiliario di sicurezza per una batteria modulare in un veicolo subacqueo e relativa batteria

Info

Publication number: IT201900001735A1
Application number: IT102019000001735A
Authority: IT
Inventors: Bruno Tevene'
Original assignee: Leonardo Spa
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2019-02-06
Publication date: 2020-08-06
Also published as: EP3694045A1; US11476537B2; US20200251706A1; EP3694045B1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA AUSILIARIO DI SICUREZZA PER UNA BATTERIA MODULARE IN UN VEICOLO SUBACQUEO E RELATIVA BATTERIA”

La presente invenzione è relativa ad un sistema ausiliario di sicurezza per una batteria modulare (in particolare, una batteria ricaricabile al Litio, agli ioni di Litio o ai polimeri di Litio), per l’utilizzo in un veicolo subacqueo (in particolare un sottomarino), e ad una corrispondente batteria modulare.

La problematica della sicurezza delle batterie ricaricabili (in particolare agli ioni di Litio o ai polimeri di Litio), comprendenti uno o più moduli costituiti da una pluralità di celle di batteria elementari, è ben nota, essendo stata affrontata in molti studi, sia a livello accademico che industriale.

Il problema principale può essere riassunto come segue: quando, per un qualunque motivo, la temperatura di una cella della batteria supera una determinata soglia, si innescano una serie di reazioni fortemente esotermiche, le quali possono produrre calore con un potenza termica così elevata che la cella non riesce a smaltirlo verso l’esterno, neppure in presenza di eventuali sistemi di raffreddamento. La temperatura della cella, pertanto, cresce in modo irreversibile (fenomeno cosiddetto della “Fuga Termica” o “Thermal Runaway”) e ciò produce, a sua volta, la formazione di gas caldi all’interno della cella stessa.

Quando la pressione di questi gas supera una determinata soglia, si ha tipicamente la rottura dell’involucro della cella, ed in ogni caso la fuoriuscita di gas verso l’esterno della cella stessa (cosiddetto “venting” della cella); molto spesso, il fenomeno si conclude con l’incendio della cella.

Il livello di pericolosità del fenomeno dipende dalla chimica di cella e dal suo contenuto energetico, ma in ogni caso tutte le celle ricaricabili basate sul Litio emettono gas tossici e contengono un elettrolita infiammabile; nessuna di queste celle (neppure quelle che impiegano la tecnologia Litio-Ferro-Fosfato) può quindi dirsi “intrinsecamente sicura”.

L’innesco della fuga termica avviene in condizioni anomale, che si hanno ad esempio quando la cella è sottoposta ad un “abuso” (elettrico, meccanico o termico). Quando l’aumento di temperatura della cella è un fenomeno graduale legato ad una eccessiva corrente di carica o scarica della cella, il sistema di controllo della batteria (il cosiddetto “BMS” - Battery Management System) è generalmente in grado di rilevare l’anomalia e di comandarne autonomamente lo spegnimento (“shut-down”), rimuovendo così la causa del riscaldamento ed evitando che la cella raggiunga il punto di innesco della fuga termica.

Quando invece l’aumento di temperatura non è legato alla corrente di carica/scarica della cella, il “BMS” non può intervenire in alcun modo per arrestarlo. In questo caso, se la temperatura di cella raggiunge il punto di innesco della fuga termica, la situazione può diventare estremamente pericolosa. Come detto, infatti, all’interno della cella surriscaldata si generano gas in pressione che possono rompere l’involucro esterno e riversarsi nell’ambiente. Se la temperatura continua ad aumentare, la cella si incendia e questo fenomeno può propagarsi rapidamente all’intera batteria, specialmente quando le celle sono completamente cariche.

Nel caso di batterie di grandi dimensioni (e dunque di contenuto energetico molto elevato), costituite da una pluralità di moduli ciascuno comprendente una pluralità di celle, un evento di questo genere è da considerarsi potenzialmente catastrofico, specialmente quando la batteria è confinata in spazi chiusi, come accade ad esempio in un veicolo per utilizzo sottomarino (quale un sommergibile, o più in generale un qualsiasi veicolo subacqueo).

Tra gli eventi non controllabili dal “BMS” che possono portare all’innesco della fuga termica, quello che risulta maggiormente problematico è certamente il “corto circuito interno di cella”. Si tratta di un evento la cui probabilità di accadimento è generalmente bassa, ma che tuttavia risulta particolarmente insidioso perché non è possibile prevederlo, ossia accorgersi che la cella è prossima alla formazione di un tale corto circuito interno. Sono stati infatti effettuati molti studi per cercare di caratterizzare il corto circuito interno di cella, ma senza giungere ad una spiegazione universalmente accettata.

Non riuscendo, almeno sulla base delle conoscenze attuali, a prevedere il fenomeno della fuga termica, sono stati proposti sistemi di sicurezza che prevedono l’utilizzo di opportuni sistemi refrigeranti, accoppiati esternamente alla batteria, da attivare nel caso di rilevamento di condizioni associate a tale fenomeno.

Tali sistemi non risultano tuttavia del tutto efficaci, in quanto non sono in grado di intervenire con sufficiente prontezza e non assicurano dunque il contenimento dei danni associati al suddetto fenomeno della fuga termica, in particolar modo nell’ipotesi di utilizzo in un veicolo subacqueo.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione che consenta di risolvere le problematiche precedentemente evidenziate ed in particolare consenta di minimizzare il rischio associato all’evento della fuga termica che si verifichi in una o più celle della batteria.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un sistema ausiliario di sicurezza per una batteria ed una relativa batteria, come descritti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 è uno schema a blocchi di massima di un veicolo subacqueo dotato di una batteria modulare;

- la Figura 2 è uno schema a blocchi di un sistema ausiliario di sicurezza associato alla batteria modulare di Figura 1; e

- le Figure 3 e 4 mostrano diagrammi di flusso schematici di operazioni svolte da un primo e da un secondo sottosistema del sistema ausiliario di sicurezza di Figura 2.

Come sarà chiarito in seguito, un aspetto della presente soluzione prevede di associare ad una batteria modulare, in particolare una batteria ricaricabile al Litio, un sistema ausiliario di sicurezza che operi in aggiunta ai meccanismi di sicurezza (di tipo noti) già incorporati nel “BMS” della stessa batteria e che abbia il compito specifico di bloccare la fuga termica di una o più celle, o quantomeno di minimizzare le conseguenze della stessa fuga termica, impedendone la propagazione alle celle circostanti.

Come schematicamente illustrato in Figura 1, la presente soluzione trova vantaggiosa, anche se non esclusiva, applicazione in un veicolo (o mezzo) subacqueo 1, ad esempio un sottomarino, dotato, ai fini della propulsione e/o per l’alimentazione elettrica di relativi sistemi elettrici di bordo, di una batteria 2, in particolare di tipo modulare ricaricabile al Litio.

La suddetta batteria 2 comprende un numero opportuno di moduli 3, ciascuno contenente una pluralità di celle 4, ed un sistema di gestione di batteria (“BMS”) 6, di tipo per sé noto, qui non descritto in dettaglio, comprendente una unità di controllo atta a gestire il funzionamento del modulo 3, in particolare le relative operazioni di carica e scarica.

I moduli 3, in cui è suddivisa la batteria 2, possono ad esempio essere uguali tra loro, in modo che ciascun modulo 3 abbia un contenuto energetico limitato; ogni modulo 3 è inoltre racchiuso in un proprio contenitore stagno 3', in grado di sopportare una desiderata differenza di pressione tra interno ed esterno, ad esempio dell’ordine di 1-2 Bar.

Come indicato in precedenza, un aspetto della presente soluzione prevede di associare alla batteria 2 un sistema ausiliario di sicurezza 10, che opera in aggiunta al, ed in cooperazione con il “BMS” 6 dei moduli 3 della stessa batteria 2 e, in determinate condizioni, entra automaticamente in funzione per generare un forte e rapido raffreddamento delle celle 4 contenute in un singolo modulo 3 con lo scopo di bloccare la fuga termica o comunque di impedirne la propagazione.

In particolare, il sistema ausiliario di sicurezza 10 è configurato in modo da entrare in funzione, anche ripetutamente, ogni volta che venga rilevato, all’interno di uno qualsiasi dei moduli 3 della batteria 2, almeno uno dei seguenti eventi:

- temperatura (di una o più celle 4) che supera una soglia prefissata;

- temperatura (di una o più celle 4) che aumenta con un tasso (“rate”) maggiore di una rispettiva soglia prefissata;

- sovrapressione nel contenitore 3' del modulo 3 (conseguente al “venting” di una o più celle 4);

- presenza di fumo all’interno del contenitore 3' del modulo 3 (nuovamente, in conseguenza del “venting” di una o più celle 4).

Con riferimento allo schema a blocchi di Figura 2, viene ora descritto in maggiore dettaglio il suddetto sistema ausiliario di sicurezza 10, che è in generale suddiviso in due sottosistemi 10a, 10b che agiscono in modo combinato e cooperano per assicurare la sicurezza della batteria 2:

un primo sottosistema 10a, configurato in modo da rilevare condizioni indicative di una fuga termica in uno qualsiasi dei moduli 3 ed in modo da gestire tale fuga termica, intervenendo in maniera localizzata ed esclusiva su tale modulo 3 immediatamente raffreddando le relative celle 4 affinché la fuga termica non si propaghi;

un secondo sottosistema 10b, cooperante con il, ed operativamente accoppiato al, suddetto primo sottosistema 10a, configurato in modo da gestire i gas che si originano nel modulo 3 (dovuti, almeno in parte, al fenomeno della fuga termica), impedendone il riversamento nell’ambiente chiuso all’interno del veicolo subacqueo 1.

In maggiore dettaglio, il primo sottosistema 10a comprende, per ciascun modulo 3 della batteria 2 i seguenti elementi (che, solo per ragioni di semplicità illustrativa, vengono raffigurati soltanto in associazione ad un modulo iesimo della batteria 2 e non anche per gli altri moduli 3 della stessa batteria, di cui a titolo esemplificativo sono illustrati in Figura 2 soltanto i moduli i-1esimo e i+1esimo):

una elettrovalvola di ingresso 12, normalmente chiusa ed elettronicamente controllata per permettere l’ingresso nel modulo 3 di un gas con effetto fortemente refrigerante ad estinguente (ad esempio CO2 o altro opportuno gas, quale uno dei sostituti dell’Halon);

una elettrovalvola di sfiato 14, normalmente chiusa ed elettronicamente controllata per permettere la fuoriuscita di gas dal modulo 3 (in particolare del gas refrigerante immesso dall’esterno, ma anche dell’eventuale gas prodotto dal “venting” di una o più celle 4 surriscaldate), evitando così la creazione di pericolose sovrapressioni all’interno del modulo 3;

un gruppo di sensori 15 posizionati all’interno del modulo 3 e configurati in modo da generare segnali di rilevamento associati a grandezze indicative di una fuga termica in corso, possibilmente prima che il fenomeno produca il “venting” di una o più celle 4 del modulo 3; ed

una prima unità elettronica di controllo 16, ad esempio comprendente un microprocessore, un microcontrollore, una FPGA o un’analoga unità logica programmabile, operativamente accoppiata al gruppo di sensori 15, per acquisire i segnali di rilevamento, ed inoltre alle elettrovalvole di ingresso e di sfiato 12, 14, per controllare, con opportune logiche e tempistiche (come sarà descritto in dettaglio in seguito), l’apertura e la chiusura delle stesse elettrovalvole di ingresso e di sfiato 12, 14.

La suddetta prima unità elettronica di controllo 16 è mostrata schematicamente al di fuori del contenitore 3' del relativo modulo 3, ma è evidente che essa può essere alloggiata anche all’interno dello stesso contenitore 3', nel caso, proteggendola opportunamente da eventuali incendi.

In maggiore dettaglio, il gruppo di sensori 15 può comprendere uno o più dei seguenti sensori:

uno o più sensori di temperatura 15a, collocati nel modulo 3 in prossimità delle celle 4 (si noti che la massima prontezza di risposta, e quindi il massimo livello di sicurezza, si può ottenere con un singolo sensore di temperatura 15a per cella 4, configurato in modo da rilevare la temperatura della singola cella 4 di pertinenza);

un sensore di pressione 15b, configurato in modo da rilevare il valore di pressione all’interno del modulo 3 e dunque l’esistenza di sovrapressioni esistenti all’interno del modulo 3 dovute al “venting” di una o più celle 4;

un sensore di fumo 15c, configurato in modo da rilevare la presenza di fumo emesso da una cella 4 nella fase di “venting”.

Si noti che, vantaggiosamente, il gruppo di sensori 15 può comprendere tutti i sensori precedentemente elencati, per massimizzare l’efficacia nel rilevamento delle condizioni indicative dell’esistenza di una fuga termica di una o più celle 4 del modulo 3.

Nella forma di realizzazione illustrata nella suddetta Figura 2, il primo sottosistema 10a comprende inoltre una valvola di sicurezza 17, collegata in parallelo all’elettrovalvola di sfiato 14, configurata in modo da definire, in caso di sovrapressione all’interno del modulo 3 (ovvero di una pressione tra interno ed esterno del relativo contenitore 3' maggiore di una data soglia prefissata), un percorso di sfiato per la fuoriuscita di gas dal modulo 3 verso un collettore di uscita (come descritto in seguito), bypassando la stessa elettrovalvola di sfiato 14. Tale valvola di sicurezza 17 consente quindi di evitare danni o rotture del contenitore 3' del modulo 3, in caso ad esempio di letture errate da parte del gruppo di sensori 15 (o di danneggiamento degli stessi sensori) o della mancata immissione del gas refrigerante (ad esempio, per effetto di un guasto o dell’esaurimento dello stesso gas refrigerante).

In maggiore dettaglio, l’elettrovalvola di ingresso 12 di ciascun modulo 3 (che è mostrata schematicamente in posizione esterna al modulo 3, ma che può essere fisicamente collocata in corrispondenza del contenitore 3' dello stesso modulo 3) è connessa, tramite un collettore comune 20 (che risulta essere in comune tra almeno alcuni dei moduli 3 della batteria 2), ad almeno una bombola 22 di gas refrigerante/estinguente.

In particolare, la bombola 22 è dotata di una rispettiva elettrovalvola 23 (illustrata schematicamente in Figura 2) e di una relativa unità di controllo (non mostrata per semplicità in Figura 2), in modo che l’erogazione del gas avvenga solo su comando elettronico, in caso di necessità; ciò permette di mantenere le tubazioni a pressione atmosferica tranne che nel momento dell’impiego effettivo. Cooperando con l’unità di controllo della stessa bombola 22, la prima unità elettronica di controllo 16 di ogni singolo modulo 3 è in grado di attivare la bombola 22 indipendentemente dagli altri moduli 3, così da determinare l’erogazione del gas refrigerante in maniera selettiva ed esclusiva all’interno del relativo contenitore 3'.

L’elettrovalvola di sfiato 14 di ciascun modulo 3 (che è anch’essa mostrata schematicamente in posizione esterna al modulo 3, ma che può essere fisicamente collocata in corrispondenza del contenitore 3' dello stesso modulo 3) è connessa ad un collettore di uscita 24, comune a tutti i moduli 3 e connesso al secondo sottosistema 10b del sistema ausiliario di sicurezza 10, avente funzione di gestione dell’accumulo e dell’espulsione dei gas.

In dettaglio, tale secondo sottosistema 10b comprende (come illustrato schematicamente nella suddetta Figura 2) i seguenti elementi, che sono comuni per tutti i moduli 3: un serbatoio di accumulo 30, accoppiato al collettore di uscita 24 ed avente lo scopo di garantire in qualsiasi momento la possibilità di accumulare gas, limitando la crescita di pressione nelle tubazioni;

una unità (cosiddetta “cassa”) di espulsione di gas 31 (che, in modo noto, può essere gestita dagli impianti di bordo del veicolo subacqueo 1, indicati schematicamente con 32), che permette lo scarico in mare dei gas accumulati nel collettore di uscita 24 e nel serbatoio di accumulo 30;

un rispettivo sensore di pressione 33, configurato in modo da rilevare la pressione nel collettore di uscita 24, ad esempio in corrispondenza del serbatoio di accumulo 30;

un’elettrovalvola di scarico 34, normalmente chiusa ed elettronicamente controllata per collegare fluidicamente il serbatoio di accumulo 30 all’unità di espulsione di gas 31, tramite una valvola di non ritorno 35; ed

una seconda unità elettronica di controllo 36, ad esempio comprendente un microprocessore, un microcontrollore, una FPGA o un’analoga unità logica programmabile, operativamente accoppiata al sensore di pressione 33 ed inoltre all’elettrovalvola di scarico 34 per controllare, in funzione del valore di pressione rilevato dal sensore di pressione 33, la stessa elettrovalvola di scarico 34 (come descritto in seguito) e mettere dunque in comunicazione fluidica il serbatoio di accumulo 30 e l’unità di espulsione di gas 31.

In particolare, la seconda unità elettronica di controllo 36 del secondo sottosistema 10b e la prima unità elettronica di controllo 16 del primo sottosistema 10a sono operativamente accoppiate mediante un collegamento di comunicazione 38 (di tipo cablato o wireless).

Il meccanismo che permette l’espulsione in mare dei gas dall’unità di espulsione di gas 31 può essere gestito, in modo di per sé noto (qui non descritto in dettaglio) da impianti di bordo 32 del veicolo subacqueo 1, in modo del tutto analogo a quanto viene implementato per le casse di compenso o altre casse dello stesso veicolo subacqueo 1 che vengono svuotate e/o riempite con acqua di mare.

A titolo indicativo, il meccanismo impiega una pompa che in una prima fase preleva acqua dal mare e la riversa (a pressione maggiore di quella idrostatica) nell’unità di espulsione di gas 31, producendo così l’espulsione del relativo contenuto; in seguito, la stessa pompa viene utilizzata in senso inverso, prelevando acqua dall’unità di espulsione di gas 31 e riversandola in mare, ottenendo così lo svuotamento della cassa stessa.

Viene ora descritto in maggiore dettaglio il funzionamento del sistema ausiliario di sicurezza 10, facendo dapprima riferimento al diagramma di flusso di Figura 3 ed alle operazioni svolte dal primo sottosistema 10a, finalizzate al rilevamento ed alla gestione della fuga termica di una o più celle 4 di uno qualsiasi dei moduli 3.

In condizioni di riposo (ovvero di normale funzionamento della batteria 2), fase 40, la prima unità elettronica di controllo 16 di ciascun modulo 3 acquisisce, ad una prima frequenza di campionamento “fc” (ad esempio con periodo di campionamento dell’ordine di un secondo), i segnali di rilevamento rilevati dall’associato gruppo di sensori 15 (includente i sensori di temperatura 15a, il sensore di pressione 15b ed il sensore di fumo 15c); la stessa prima unità di controllo 16 monitora inoltre l’interfaccia con il “BMS” 6 del modulo 3.

Non appena viene rilevata una fuga termica in corso, fase 41, la prima unità elettronica di controllo 16, passa in stato di allarme, che viene immediatamente segnalato alla seconda unità elettronica di controllo 36 del secondo sottosistema 10b, mediante un apposito segnale di allarme Sal inviato attraverso il collegamento di comunicazione 38 tra le stesse prima e seconda unità elettronica di controllo 16, 36.

Come indicato in precedenza, la fuga termica può essere rilevata quando si verificano una o più delle seguenti condizioni: temperatura di una o più celle 4 che supera una soglia prefissata; temperatura di una o più celle 4 che aumenta con un tasso maggiore di una rispettiva soglia prefissata; sovrapressione nel contenitore 3' del modulo 3; presenza di fumo all’interno del contenitore 3'.

La segnalazione dello stato di allarme può essere effettuata, da parte della prima unità elettronica di controllo 16, anche al “BMS” 6 del relativo modulo 3 (ad esempio per l’immediata interruzione di una eventuale fase di carica/scarica in corso), ed inoltre ad un sistema di controllo del veicolo subacqueo 1 (ad esempio, al cosiddetto “Combat System” nel caso di un sommergibile, per informare prontamente l’equipaggio della situazione di pericolo in atto).

Durante la fase di allarme, fase 42, tutti i sensori del gruppo di sensori 5 vengono campionati ad alta velocità, ad una seconda frequenza di campionamento, maggiore della prima frequenza di campionamento, in modo da poter rilevare e monitorare in modo preciso l’andamento delle grandezze rilevanti (in particolare, temperatura e pressione) all’interno del modulo 3.

In condizioni di allarme viene inoltre svolta (ed eventualmente ripetuta ulteriormente) la seguente sequenza di azioni:

la prima unità elettronica di controllo 16 comanda, fase 43, l’apertura della elettrovalvola 23 posta sulla bombola 22 di gas refrigerante e, immediatamente dopo, comanda l’apertura dell’elettrovalvola di ingresso 12 del relativo modulo 3, per consentire l’immissione del gas refrigerante all’interno del contenitore 3' (ulteriori dettagli sulla logica di controllo dell’elettrovalvola di ingresso 12 saranno forniti in seguito); in queste condizioni, il gas refrigerante fluisce dalla bombola 22 nel solo modulo 3 dove si è verificata la fuga termica;

al termine della fase di erogazione, fase 44, una volta raggiunto un valore prefissato di pressione all’interno del contenitore 3', oppure trascorso un certo intervallo di tempo predefinito, la stessa prima unità elettronica di controllo 16 chiude entrambe le elettrovalvole (l’elettrovalvola 23 della bombola 22 e l’elettrovalvola di ingresso 12 del modulo 3) facendo così cessare l’afflusso di gas refrigerante al modulo 3 stesso.

A partire da questo momento, la cella 4 surriscaldata e le altre celle 4 cedono calore al gas refrigerante, che quindi si riscalda e, non potendo espandersi, aumenta di pressione; allo stesso tempo, la temperatura della cella 4 surriscaldata scende bruscamente.

Quando la pressione all’interno del modulo 3 supera una soglia prefissata, oppure la temperatura delle cella 4 surriscaldata cessa di scendere o cessa di scendere con un tasso di decrescita desiderato (perché l’effetto refrigerante si è esaurito o sta esaurendosi), la prima elettronica 16 comanda l’apertura della valvola di uscita 14 per un tempo prefissato, fase 45, facendo così fuoriuscire il gas refrigerante/estinguente (insieme all’eventuale gas emesso dalla cella 4 in fuga termica) dal modulo 3 verso il serbatoio di accumulo 30, inizialmente vuoto (o, più precisamente, contenente aria a pressione atmosferica).

Si noti che, vantaggiosamente, il processo descritto di erogazione del gas refrigerante può essere ripetuto trascorso un certo tempo, qualora la cella 4 mostri nuovamente forti incrementi di temperatura o “venting”, come indicato nella fase 46.

Si noti infatti che, nel caso di impiego di contenitori 3' con volume libero relativamente piccolo, la massa di gas refrigerante che può essere trasferita all’interno del modulo 3 senza raggiungere pressioni elevate, è necessariamente limitata e, conseguentemente, anche l’effetto refrigerante è limitato. Può dunque essere richiesto di sostituire più volte il gas refrigerante nel contenitore 3', in conseguenza al fatto che lo stesso gas refrigerante si riscalda e perde capacità refrigerante.

Sempre allo scopo di limitare il rischio di brusche salite di pressione all’interno del modulo 3, è inoltre opportuno che l’immissione del gas refrigerante avvenga in modo graduale (ossia controllandone la portata).

Tale controllo di portata potrebbe essere ottenuto, ad esempio, impiegando una elettrovalvola proporzionale con regolazione elettrica di portata.

Al fine di ridurre il costo del sistema, garantendone al contempo l’efficacia, un aspetto della presente soluzione prevede invece l’utilizzo di una comune elettrovalvola “On/Off” per l’elettrovalvola di ingresso 12, che viene controllata dalla prima unità elettronica di controllo 16, invece che in modo temporalmente continuo, in maniera impulsiva, ovvero con una successione di impulsi intervallati da pause.

In particolare, la prima unità elettronica di controllo 16, campionando ad alta velocità la pressione nel modulo 3, stabilisce la larghezza degli impulsi di comando dell’elettrovalvola di ingresso 12 (cioè, regola grossolanamente la portata media del gas refrigerante in un certo intervallo di tempo) in modo da assicurare che la pressione all’interno del modulo 3 si porti rapidamente al valore prefissato, minimizzando al tempo stesso il rischio di sovrapressioni.

Il valore prefissato di pressione viene scelto sufficientemente alto da assicurare il necessario effetto refrigerante e, al tempo stesso, sufficientemente inferiore alla pressione di attivazione della valvola di sicurezza 17, così da non causarne l’attivazione.

Si noti che la prima unità elettronica di controllo 16 implementa in tal modo un controllo automatico nel quale l’obiettivo (il “set-point”) è rappresentato dalla pressione di gas che si desidera ottenere all’interno del modulo 3, l’ingresso di controllo è rappresentato dalla portata di immissione del gas refrigerante (regolata variando la larghezza degli impulsi di comando dell’elettrovalvola di ingresso 12), e il “disturbo” (fenomeno random, non controllabile) è rappresentato dal calore prodotto dalla cella 4 e dal suo eventuale “venting”.

Come mostrato in Figura 4, la seconda unità elettronica di controllo 36 del secondo sottosistema 10b (sottosistema destinato al controllo dell’accumulo e dell’espulsione dei gas), controlla costantemente la pressione nell’impianto di sfiato, fase 50, mediante l’acquisizione del segnale rilevato dal sensore di pressione 33, associato al collettore di uscita 24 ed al serbatoio di accumulo 30.

In condizioni di normale funzionamento della batteria 2, il monitoraggio della pressione avviene ad una prima frequenza di campionamento, ad esempio ad intervalli di tempo di un secondo; in condizioni di allarme (ovvero, in seguito al ricevimento, fase 51, del segnale di allarme Sal inviato dalla prima unità elettronica di controllo 16 tramite la dedicata linea di comunicazione 38) le misure vengono invece effettuate ad alta velocità, ad una seconda frequenza di campionamento, maggiore della prima frequenza di campionamento, fase 52.

Quando la lettura istantanea del sensore di pressione 33 supera una soglia prefissata, fase 54, la seconda unità elettronica di controllo 36 comanda l’apertura, ad esempio per un tempo predefinito, dell’elettrovalvola di scarico 34, fase 55, in modo da permettere l’afflusso di gas nell’unità di espulsione di gas 31.

Dalla stessa unità di espulsione di gas 31, i gas verranno successivamente espulsi in mare, in modo da non contaminare in alcun modo l’ambiente interno del veicolo subacqueo 1.

Come indicato in precedenza, l’apertura dell’elettrovalvola di scarico 34 mette in comunicazione il serbatoio di accumulo 30 con l’unità di espulsione di gas 31. Si noti che ciò non provoca lo svuotamento, ma solo una riduzione di pressione nel serbatoio di accumulo 30, percentualmente tanto maggiore quanto maggiore è il volume dell’unità di espulsione di gas 31 rispetto al volume degli altri componenti (tubazioni e serbatoio di accumulo stesso).

Si noti inoltre che, per tutta la durata della operazione di espulsione dei gas (dipendente dalla soluzione adottata) l’unità di espulsione di gas 31 non è utilizzabile, quindi tutto il gas uscente dal modulo 3 resta confinato solo nelle tubazioni e nel serbatoio di accumulo 30.

I vantaggi della presente soluzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

Si sottolinea in ogni caso che la soluzione proposta permette di incrementare in modo sostanziale la sicurezza delle batterie modulari ricaricabili al Litio, in particolare nel caso di batterie aventi grandi dimensioni impiegate in un sommergibile o più in generale in un veicolo subacqueo.

Vantaggiosamente, il gas refrigerante ed estinguente viene erogato all’interno del solo modulo 3 nel quale si è verificata una fuga termica, grazie alla presenza nel modulo stesso del gruppo di sensori 15 in grado di rilevare con certezza la presenza di una fuga termica in fase iniziale (progressivo aumento di temperatura con rate di salita anomalo) o nella successiva fase irreversibile (rottura della cella 4, “venting”, aumento della pressione interna al modulo, presenza di fumo).

Vantaggiosamente, per ogni singolo modulo 3, la relativa prima unità elettronica di controllo 16 acquisisce i segnali di rilevamento dai sensori del gruppo di sensori 15 e controlla le elettrovalvole di ingresso e di sfiato 12, 14 secondo una logica ottimizzata al fine di massimizzare l’effetto refrigerante senza però superare pressioni pericolose all’interno del contenitore 3' del modulo 3.

Inoltre, la regolazione della portata di immissione del gas refrigerante nel modulo 3 consente di minimizzare il rischio di sovrapressioni, comandando la valvola di ingresso 12 con una successione di impulsi di larghezza variabile (che viene determinata in maniera opportuna dalla logica di controllo).

Il collettore di uscita 24, connesso al serbatoio di accumulo 30, consente di evitare di contaminare l’aria interna del veicolo subacqueo 1 con il gas refrigerante (ad esempio CO2) ed i gas di “venting” prodotti dalle celle 4.

Lo stesso serbatoio di accumulo 30 può vantaggiosamente essere svuotato (almeno parzialmente) in modo automatico, tramite la “cassa di espulsione gas” gestita dagli impianti di bordo 32 del veicolo subacqueo 1, la quale permette l’espulsione in mare dei gas in essa contenuti.

La comunicazione del segnale di allarme Sal dalla prima unità di controllo 16 del primo sottosistema 10a alla seconda unità di controllo 36 del secondo sottosistema 10b del sistema ausiliario di sicurezza 10 consente di monitorare accuratamente la pressione nel suddetto serbatoio di accumulo 30 e di causarne immediatamente lo svuotamento, in tal modo garantendo la possibilità di smaltire il gas che fuoriesce dal modulo 3 senza che lo stesso gas contamini l’ambiente interno del veicolo subacqueo 1.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di tutela della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, nel caso di batterie 2 di grandi dimensioni, le tubazioni di afflusso del gas refrigerante potrebbero risultare di lunghezza eccessiva, compromettendo o comunque riducendo l’efficacia refrigerante del gas stesso. In questa ipotesi, i moduli 3 possono essere raggruppati in un certo numero N gruppi e, al posto di una singola bombola 22, possono essere utilizzate N bombole 22 di capacità ridotta (ciascuna delle quali viene impiegata per un singolo gruppo) posizionate fisicamente in prossimità dei moduli 3 che costituiscono il relativo gruppo.

Si noti inoltre che il serbatoio di accumulo 30 può essere generalmente dimensionato per un volume indicativamente pari al massimo volume di gas emesso da una singola cella 4 in caso di “venting”; ad esempio, per celle 4 aventi massa di 1 Kg, si può prevedere un volume dell’ordine di 200 litri.

Ipotizzando che il sistema ausiliario di sicurezza 10 riesca ad impedire la propagazione del “venting” alle celle 4 vicine, tutto il gas emesso dalla batteria 2 può eventualmente restare contenuto nell’impianto e nel serbatoio di accumulo 30 anche senza ricorrere al meccanismo di espulsione a mare.

Inoltre, un ulteriore aspetto della presente soluzione può prevedere che la prima unità elettronica di controllo 16, nel caso di interruzione improvvisa dei collegamenti tra la stessa prima unità elettronica di controllo 16 ed il gruppo di sensori 15 o di brusca variazione dei dati da essi forniti, per danneggiamento degli stessi sensori (essendoci la possibilità che l’incendio del modulo 3 distrugga o danneggi il gruppo di sensori 15), prudenzialmente assuma che sia presente una condizione di “allarme e incendio in corso” e attivi dunque l’elettrovalvola di ingresso 12 per spegnere l’incendio stesso. Si noti che, in questo caso particolare, la prima unità elettronica di controllo 16 non ha modo di sapere se l’intervento ha prodotto risultati positivi, dato che non sarà più possibile utilizzare i segnali provenienti dai sensori come “feedback”. In questo caso, la prima elettrovalvola di ingresso 12 verrà dunque attivata per un tempo prefissato e lo stesso avverrà per la elettrovalvola di sfiato 14.

Infine, si sottolinea nuovamente come la presente soluzione sia vantaggiosamente applicabile per incrementare la sicurezza di una batteria 2 ad utilizzo in ambiente preferibilmente marino, ad esempio all’interno di un generico veicolo subacqueo, che può anche differire dal sottomarino a cui si è fatto in precedenza specifico riferimento.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema (10) ausiliario di sicurezza, operativamente accoppiato ad una batteria (2) modulare avente un numero di moduli (3), ciascuno dotato di una pluralità di celle (4), detto sistema (10) comprendendo: un primo sottosistema (10a), configurato in modo da rilevare condizioni indicative di una fuga termica in uno qualsiasi dei moduli (3) ed in modo da gestire detta fuga termica, intervenendo in maniera localizzata su detto modulo (3) in modo da raffreddare le relative celle (4) affinché la fuga termica non si propaghi; ed un secondo sottosistema (10b), cooperante con il, ed operativamente accoppiato al, primo sottosistema (10a), configurato in modo da gestire gas presenti nel modulo (3) associati al fenomeno della fuga termica, impedendone il riversamento in un ambiente dove è collocata detta batteria (2), in cui detto primo sottosistema (10a) comprende una prima unità elettronica di controllo (16) per ciascuno di detti moduli (3), e detto secondo sottosistema (10b) comprende una seconda unità elettronica di controllo (16), distinta da, ed operativamente accoppiata a, detta prima unità elettronica di controllo (16) mediante un collegamento di comunicazione (38), in modo da ricevere un segnale di allarme (Sal) al rilevamento di dette condizioni indicative della fuga termica nel relativo modulo (3).
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno di detti moduli (3) è dotato di un proprio contenitore stagno (3') che racchiude le relative celle (4), ed in cui detto primo sottosistema (10a) comprende, per ciascuno di detti moduli (3): un’elettrovalvola di ingresso (12), connessa, tramite un collettore comune (20), in comune a detti moduli (3), ad almeno un contenitore (22) di gas refrigerante, elettronicamente controllato da detta prima unità elettronica di controllo (16) per permettere l’ingresso nel relativo modulo (3) di detto gas refrigerante in seguito al rilevamento di dette condizioni indicative di una fuga termica; una elettrovalvola di sfiato (14), elettronicamente controllata da detta prima unità elettronica di controllo (16) per permettere la fuoriuscita di gas dal modulo (3) verso un collettore di uscita (24); ed un gruppo di sensori (15) posizionati all’interno del modulo (3) ed accoppiati a detta prima unità elettronica di controllo (16) per fornire segnali di rilevamento associati a grandezze indicative di detta fuga termica; ed in cui detto secondo sottosistema (10b) comprende: detto collettore di uscita (24), comune a detti moduli (3) e connesso a detti moduli (3) tramite la relativa elettrovalvola di sfiato (14); un serbatoio di accumulo di gas (30), accoppiato al collettore di uscita (24); ed un’elettrovalvola di scarico (34), elettronicamente controllata da detta seconda unità elettronica di controllo (36) per collegare fluidicamente detto serbatoio di accumulo di gas (30) ad un’unità di espulsione di gas (31).
3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima unità elettronica di controllo (16) è configurata in modo da comandare detta elettrovalvola di ingresso (12) in modo da controllare la portata del gas refrigerante che viene immesso in detto modulo (3) proveniente da detta bombola (22), così da evitare sovrapressioni all’interno del modulo (3).
4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detta prima unità elettronica di controllo (16) è configurata in modo da comandare detta elettrovalvola di ingresso (12) in maniera impulsiva, con una successione di impulsi di comando intervallati da pause, in cui la larghezza degli impulsi di comando è regolata in funzione della pressione all’interno del modulo (3) e di un valore di pressione obiettivo da raggiungere, in modo da assicurare che la pressione all’interno del modulo (3) si porti al valore di pressione obiettivo, evitando sovrapressioni.
5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui detto gruppo di sensori (15) comprende almeno uno tra: uno o più sensori di temperatura (15a), collocati nel modulo (3) in prossimità delle celle (4); un sensore di pressione (15b), configurato in modo da rilevare la pressione all’interno del modulo (3); ed un sensore di fumo (15c), configurato in modo da rilevare la presenza di fumo emesso da una cella (4) per effetto di detta fuga termica.
6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui detta prima unità elettronica di controllo (16) è configurata in modo da campionare i segnali rilevati dai sensori di detto gruppo di sensori (15) ad una prima frequenza di campionamento in condizione di normale funzionamento, e ad una seconda frequenza di campionamento, maggiore di detta prima frequenza di campionamento, in seguito al rilevamento di dette condizioni indicative di una fuga termica.
7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-6, in cui detto primo sottosistema (10a) comprende inoltre una valvola di sicurezza (17) collegata in parallelo all’elettrovalvola di sfiato (14), configurata in modo da definire, in caso di sovrapressione all’interno del modulo (3) un percorso di sfiato per la fuoriuscita di gas dal modulo (3) verso detto collettore di uscita (24).
8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-7, in cui detta bombola (22) è dotata di una rispettiva elettrovalvola (23) e di una relativa unità di controllo cooperante con la prima unità elettronica di controllo (16) di ciascun modulo (3) in modo da consentire l’erogazione di gas dalla bombola (22) nel relativo modulo (3), in maniera indipendente dagli altri moduli (3).
9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-8, in cui detto secondo sottosistema (10b) comprende un sensore di pressione (33), configurato in modo da rilevare la pressione nel collettore di uscita (24) e/o in detto serbatoio di accumulo di gas (30); in cui detta seconda unità elettronica di controllo (36) è operativamente accoppiata a detto sensore di pressione (33) ed inoltre all’elettrovalvola di scarico (34) per controllare, in funzione del valore di pressione rilevato dal sensore di pressione (33), detta elettrovalvola di scarico (34) per collegare fluidicamente detto serbatoio di accumulo di gas (30) a detta unità di espulsione di gas (31) al fine dell’espulsione dei gas all’esterno dell’ambiente dove è collocata detta batteria (2).
10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui detta seconda unità elettronica di controllo (36) è configurata in modo da campionare il segnale rilevato da detto sensore di pressione (33) ad una prima frequenza di campionamento in condizione di normale funzionamento, e ad una seconda frequenza di campionamento, maggiore di detta prima frequenza di campionamento, in seguito al ricevimento di detto segnale di allarme (Sal) da detta prima unità elettronica di controllo (16).
11. Sistema secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detta batteria (2) è collocata in un veicolo subacqueo (1) ed in cui detta unità di espulsione di gas (31) è una cassa di espulsione, per lo scarico in mare dei gas accumulati nel collettore di uscita (24) e nel serbatoio di accumulo (30).
12. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta batteria (2) è una batteria ricaricabile al Litio.
13. Batteria (2) avente un numero di moduli (3), ciascuno dotato di una pluralità di celle (4), comprendente un sistema ausiliario di sicurezza (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
14. Batteria secondo la rivendicazione 13, di tipo ricaricabile al Litio.
15. Veicolo subacqueo (1) comprendente la batteria secondo la rivendicazione 13 o 14 ed il sistema ausiliario di sicurezza (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-12.