IT201900010389A1

IT201900010389A1 - Sistema combinato per ricaricare una batteria di servizio a basso voltaggio e per raffreddare una batteria ad alto voltaggio in un veicolo elettrico

Info

Publication number: IT201900010389A1
Application number: IT102019000010389A
Authority: IT
Inventors: Fabio Danna; Massimiliano Chidichimo
Original assignee: Italdesign Giugiaro Spa
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-28
Also published as: WO2020260975A1

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Sistema combinato per ricaricare una batteria di servizio a basso voltaggio e per raffreddare una batteria ad alto voltaggio in un veicolo elettrico”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione pertiene al settore dei veicoli ad alimentazione elettrica. L’invenzione si riferisce ad un sistema combinato per la ricarica di una batteria di servizio a basso voltaggio e per il raffreddamento di una batteria ad alto voltaggio a bordo di un veicolo elettrico o ibrido. Il sistema si propone come aggiuntivo al tradizionale sistema principale di ricarica con alternatore.

Stato della tecnica

I veicoli a trazione elettrica o ibrida richiedono l'immagazzinamento di energia elettrica, tipicamente pacchi batterie ad alto voltaggio ricaricabili, per azionare la loro unità di azionamento elettrica. Allo stato attuale, come batterie di trazione si usano pacchi batterie agli ioni di litio. Tali batterie ricaricabili di veicoli elettrici o veicoli ibridi generano calore a causa delle alte correnti che fluiscono durante il loro funzionamento, e questo calore deve essere dissipato. Il raffreddamento delle batterie avviene tramite dispositivi di raffreddamento incorporati o mediante sistemi di ventilazione.

Dalla pubblicazione brevettuale CN 108511849 A è noto un sistema di raffreddamento per una batteria di potenza per l’alimentazione di un veicolo elettrico, con un sistema di circolazione di raffreddamento a liquido ed un dispositivo di raffreddamento composito a CO2 compressa. Il sistema di circolazione a liquido comprende un serbatoio di stoccaggio del liquido di raffreddamento, uno scambiatore di calore e una pompa che sono collegati sequenzialmente in serie per formare un primo anello. Il primo anello del sistema di circolazione di raffreddamento a liquido sottrae calore mediante il flusso del liquido di raffreddamento. Il sistema di circolazione di raffreddamento a CO2 compressa comprende un dispositivo di raffreddamento composito, una turbina di espansione, lo scambiatore di calore, un compressore, un raffreddatore di gas e un serbatoio di accumulo di CO2 che sono collegati sequenzialmente in serie per formare un secondo anello. Mentre la turbina di espansione esegue il raffreddamento di espansione sul gas CO2 compresso, il lavoro dell'albero in uscita dalla turbina viene sfruttato per far funzionare la pompa del liquido e far fluire il liquido di raffreddamento del sistema di circolazione. L'adozione del raffreddamento a liquido e del sistema di raffreddamento composito a CO2 compressa è finalizzata ad aumentare l'efficacia del raffreddamento della batteria di alimentazione del veicolo elettrico e a risolvere il problema della dissipazione del calore della batteria di alimentazione del veicolo elettrico.

US 2018/372000 A1 descrive un sistema di raffreddamento a turbina a gas che comprende: una linea di raffreddamento che convoglia aria compressa, un dispositivo di raffreddamento che raffredda l'aria compressa, un regolatore di portata che regola la portata dell'aria di raffreddamento. Un dispositivo di controllo agisce sul regolatore di portata per affinché sia provvista la portata d’aria di raffreddamento istantanea richiesta.

IN 2017 41017589 A descrive un sistema per la generazione di energia elettrica dove con un compressore si accumula aria compressa in un serbatoio. L’aria immagazzinata nel serbatoio produce un getto che viene utilizzato per azionare una turbina, la quale genera una corrente continua che ricarica una batteria.

Sui veicoli a trazione elettrica o ibridi sono anche installate batterie di servizio a basso voltaggio (12/24 Volt) per alimentare diverse funzioni elettriche a bordo del veicolo, come ad esempio avviare il veicolo, fornire energia ai sistemi di illuminazione interni ed esterni del veicolo, all’infotainment, ai vari sensori di cui un veicolo è dotato, ecc.

Sintesi dell’invenzione

È scopo della presente invenzione realizzare un sistema, installato a bordo di un veicolo elettrico o ibrido, che provveda sia alla ricarica di una batteria di servizio a basso voltaggio e sia al raffreddamento della batteria ad alto voltaggio.

Il suddetto e altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio inseguito, sono raggiunti, secondo l’invenzione, da un sistema combinato come definito nelle rivendicazioni annesse.

Il sistema combinato proposto è incorporato in un veicolo ad alimentazione elettrica o ibrida. Si inserisce all’interno del flusso di trasformazione dell’energia, nella fase riguardante la ricarica di una batteria di servizio. L’invenzione propone di affiancare al sistema di ricarica convenzionale (a mezzo alternatore collegato al motore, che resta il sistema di ricarica principale), un sottosistema accessorio di produzione di energia generata utilizzando turbine ad aria compressa. Tali turbine possono essere alimentate da uno o più serbatoi di aria compressa dedicati a questa funzione, nei quali la quantità di aria compressa necessaria è immagazzinata ad alta pressione. Uno scambiatore di calore sfrutta l’aria fredda a valle delle turbine per raffreddare la batteria ad alto voltaggio.

Breve descrizione del disegno

Verranno ora descritte alcune forme di realizzazione preferite ma non limitative di un sistema combinato secondo l’invenzione. Si fa riferimento al disegno allegato, che è uno schema diagrammatico del sistema per ricaricare una batteria di servizio a basso voltaggio e per raffreddare una batteria ad alto voltaggio in un veicolo elettrico.

Descrizione dettagliata

Con riferimento al disegno, è illustrato un sistema combinato per ricaricare una batteria 10 di servizio a basso voltaggio e per raffreddare una batteria 11 ad alto voltaggio in un veicolo elettrico. La batteria 10 a basso voltaggio serve ad alimentare una pluralità di funzioni elettriche 12 a bordo del veicolo; la batteria 11 ad alto voltaggio alimenta il motore elettrico propulsore (non illustrato) del veicolo.

Le funzioni elettriche 12 possono ad esempio includere, a titolo non limitativo, l’avviamento del veicolo, l’alimentazione di corrente ai sistemi di illuminazione interni ed esterni del veicolo, l’alimentazione di dispositivi di infotainment, e l’alimentazione di vari sensori a bordo del veicolo.

Il sistema combinato comprende uno o più serbatoi ricaricabili 14 di aria compressa. Per ridurre gli ingombri a bordo del veicolo, il serbatoio ricaricabile è ad alta pressione, preferibilmente in un campo di pressioni compreso tra 250 e 300 bar.

Secondo una forma di attuazione, la ricarica del serbatoio 14 può essere fornita da sorgenti esterne di aria pressurizzata, ad esempio da una rete di distribuzione esterna e/o da compressori esterni 15 ad alta pressione.

Secondo altre forme di attuazione, in alternativa o in aggiunta, la ricarica del serbatoio 14 può essere realizzata da una sorgente di aria pressurizzata montata a bordo del veicolo. Secondo una forma di attuazione, si possono a questo scopo usare mezzi generatori di aria compressa 16 montati a bordo del veicolo, ad esempio sfruttando l’azione di pompaggio generata dal movimento lineare alternato delle sospensioni 17 del veicolo.

Una o più turbine 18 ad aria compressa, operanti a 3~10 bar, sfruttano l‘aria compressa prelevata dal serbatoio 14 per generare corrente elettrica. La corrente elettrica generata dalla turbina 18 viene prima trasformata da corrente alternata a corrente continua tramite un dispositivo 19 convertitore di corrente alternata in corrente continua, dotato di unità di controllo AC-DC 21, e quindi la corrente continua resa disponibile dal trasformatore viene utilizzata per ricaricare la batteria di servizio 10 a basso voltaggio (12/24V).

La batteria 11 ad alto voltaggio, che alimenta il motore elettrico propulsore del veicolo, è associata ad un sistema di raffreddamento 20. Il sistema di raffreddamento utilizza il raffreddamento generato dalla variazione di pressione dell’aria, che si espande passando dai 250-300 bar del serbatoio a 3~10 bar di esercizio della turbina, per il raffreddamento della batteria HV ad alto voltaggio.

Indicativamente, la temperatura dell’aria in uscita dal serbatoio può raggiungere temperature di alcune decine di gradi sotto lo zero Celsius.

Preferibilmente, un polmone di espansione (non illustrato) viene utilizzato per portare l’aria compressa, conservata nei serbatoi 14, alla pressione di esercizio delle turbine. Nel polmone di espansione, l’aria compressa compie un salto di pressione dai circa 250-300 bar (pressione nei serbatoi) ai 3-10 bar (pressione di esercizio delle turbine.

Secondo una possibile forma di realizzazione, il polmone di espansione può essere integrato alla turbina ad aria compressa. Secondo una forma di realizzazione alternativa, il polmone di espansione può essere integrato nel sistema di raffreddamento della batteria ad alto voltaggio 11.

Il sistema di raffreddamento 20 comprende uno scambiatore di calore, avente almeno un circuito di raffreddamento disposto a valle della turbina. Lo scambiatore di calore è configurato per ricevere un flusso di aria compressa in espansione in uscita dalla turbina, e convogliare questo flusso alla batteria 11 ad alto voltaggio per raffreddarla.

Nella forma di realizzazione esemplificativa illustrata nel disegno, il circuito di raffreddamento convoglia l’aria fredda in espansione, a valle della turbina, nella batteria 11 ad alto voltaggio. Con 22 è indicato un ingresso dell’aria fredda nella batteria 11, e con 23 è indicata l’uscita dell’aria riscaldata dalla batteria 11. Il circuito di raffreddamento forma un percorso (non illustrato) distribuito all’interno della batteria tra l’ingresso 22 e l’uscita 23.

Secondo altre forme di realizzazione (non illustrate), lo scambiatore di calore può comprendere due circuiti chiusi di raffreddamento termicamente accoppiati. Un primo circuito chiuso di raffreddamento, è configurato per essere investito da un flusso di aria compressa in espansione in uscita dalla turbina; un secondo circuito chiuso di raffreddamento è configurato per ricevere calore dalla batteria ad alto voltaggio e cedere calore al primo circuito chiuso di raffreddamento.

I circuiti di raffreddamento possono essere a liquido o ad aria. Se si usa un circuito di raffreddamento a liquido, ad esso è associata una pompa di ricircolo. Se si usa un a circuito di raffreddamento ad aria, questo è preferibilmente associato ad un essiccatore atto ad evitare il congelamento della condensa.

Il primo circuito di raffreddamento, a temperatura più bassa, viene raffreddato dall’espansione dell’aria compressa fredda, a valle della turbina. Il secondo circuito di raffreddamento, a temperatura più elevata, può comprendere un pannello radiante all’interno della batteria 11, a diretto contatto con le celle HV da raffreddare.

Sulla batteria 11 ad alto voltaggio sono preferibilmente installati sensori di temperatura al fine di rilevare l’innalzamento della temperatura della batteria, e attivare automaticamente la turbina 18 solo quando sia necessario un raffreddamento della batteria ad alto voltaggio. A questo scopo è prevista una centralina elettronica (non illustrata) di controllo ed elaborazione, che sovrintende al funzionamento del sistema nel suo complesso, dunque anche al funzionamento di tutti gli altri dispositivi qui descritti.

Fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione, così come identificato dalle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema combinato per il raffreddamento di una batteria ad alto voltaggio e di ricarica per una batteria di servizio a basso voltaggio a bordo di un veicolo elettrico o ibrido, caratterizzato dal fatto che il sistema combinato comprende: almeno un serbatoio ricaricabile di aria compressa; almeno una turbina ad aria compressa, che riceve aria compressa dal serbatoio e genera corrente alternata; un dispositivo convertitore AC-DC che trasforma la corrente alternata generata dalla turbina e rende disponibile una corrente continua per ricaricare la batteria di servizio; uno scambiatore di calore, disposto a valle della turbina e comprendente almeno un circuito di raffreddamento configurato per ricevere un flusso di aria compressa in espansione in uscita dalla turbina, e convogliare questo flusso alla batteria ad alto voltaggio per raffreddarla.
2. Sistema combinato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta turbina ad aria compressa opera ad una pressione compresa tra circa 3 e circa 10 bar.
3. Sistema combinato secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto serbatoio ricaricabile contiene aria pressurizzata in un campo di pressioni compreso tra 250 e 300 bar.
4. Sistema combinato secondo la rivendicazione 1 o 3, caratterizzato dal fatto che il serbatoio ricaricabile è associato ad almeno un mezzo generatore di aria compressa montato a bordo del veicolo e operativamente associato ad almeno una sospensione del veicolo per pompare aria pressurizzata sfruttando il movimento lineare alternato delle sospensioni del veicolo.
5. Sistema combinato secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il serbatoio ricaricabile è configurato per ricevere una ricarica di aria pressurizzata da una sorgente di aria pressurizzata esterna al veicolo.
6. Sistema combinato secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il circuito di raffreddamento è integrato nella batteria ad alto voltaggio e comprende un ingresso per immettere nella batteria aria fredda proveniente dalla turbina, un percorso per l’aria all’interno della batteria e un’uscita per far fuoriuscire dalla batteria l’aria riscaldata.
7. Sistema combinato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore comprende: un primo circuito chiuso di raffreddamento, configurato per essere investito da un flusso di aria compressa in espansione in uscita dalla turbina, e un secondo circuito chiuso di raffreddamento, configurato per ricevere calore dalla batteria ad alto voltaggio e cedere calore al primo circuito chiuso di raffreddamento.