IT201900017213A1 - Pacco batteria per veicolo elettrico provvisto di sistema di sicurezza per il thermal runaway - Google Patents

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Francesco Santoro
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“PACCO BATTERIA PER VEICOLO ELETTRICO PROVVISTO DI SISTEMA DI SICUREZZA PER IL THERMAL RUNAWAY”
SETTORE TECNICO
La presente invenzione è relativa ad un pacco batteria per veicolo elettrico, in particolare ad un pacco batteria provvisto di un sistema di sicurezza per il fenomeno del thermal runaway.
STATO DELL’ARTE NOTA
Come noto, i veicoli elettrici comprendono pacchi batteria configurati per fornire una fonte sufficiente di energia elettrica per consentire la trazione del veicolo nonché il funzionamento di altri dispositivi ausiliari di comfort quali il sistema di condizionamento o funzionali, quali schermi per visualizzare informazioni utili ai passeggeri.
Sempre come noto, le batterie elettriche utilizzate in tali veicoli sono dispositivi elettrochimici di accumulo che, durante l’uso in carico e scarico, tendono a riscaldarsi.
E’ possibile che il riscaldamento a seguito di un abuso esterno e/o guasto interno raggiunga dei livelli tali da generare un fenomeno detto “thermal runaway” nel quale la temperatura innesca reazioni esotermiche che innalzano ulteriormente la temperatura e così conseguentemente fino a portare a conseguenze disastrose quali emissioni gassose, esplosioni od incendi.
In tali casi è necessario procedere ad un repentino raffreddamento del pacco batteria per evitare il propagamento di tale condizione tra i moduli interni o almeno verso altre batterie adiacenti nonché per evitare i danni, potenzialmente letali, per i passeggeri del veicolo.
Normalmente tale raffreddamento, che necessita di grandi quantità di liquido estinguente, viene effettuato aprendo i portelloni dei vani alloggiamento delle batterie da parte dei soccorritori e spruzzando tale liquido. Tuttavia tale operazione risulta lunga, pericolosa e poco efficace.
E’ dunque sentita l’esigenza di fornire sistemi di sicurezza che possano individuare con precisione l’innescarsi di un fenomeno di thermal runaway in un pacco di batterie di un veicolo e che conseguentemente possano permettere di agire tempestivamente ed in sicurezza per disinnescarlo.
Scopo della presente invenzione è soddisfare le esigenze sopra esposte.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Il suddetto scopo è raggiunto da un pacco batteria per veicolo elettrico provvisto di un sistema di sicurezza come rivendicato nelle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Per una migliore comprensione della presente invenzione viene descritta nel seguito una forma preferita di attuazione, a titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati nei quali:
• Figura 1 è una vista prospettica e schematica e con parti rimosse per chiarezza di un pacco batteria per veicolo comprendente un sistema di sicurezza secondo l’invenzione;
• Figura 2 è una vista prospettica di una parte del sistema di sicurezza secondo l’invenzione;
• Figura 3 è una vista prospettiva ingrandita di una porzione del sistema di sicurezza di figura 2; e
• Figura 4 è uno schema illustrante un circuito facente parte del sistema di sicurezza secondo l’invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
Figura 1 illustra un sistema di pacco batteria 1 comprendente un sistema di sicurezza 2 secondo l’invenzione.
Nel caso illustrato, il pacco batteria 1 comprende una struttura di supporto 3 configurata per definire una pluralità di alloggiamenti 4, ciascuno configurato per alloggiare almeno una rispettiva batteria elettrica (non illustrata). Sebbene non illustrato, la struttura di supporto 3, e dunque gli alloggiamenti 4 e le batterie in essi contenuti, sono racchiusi all’interno di una carcassa che isola il pacco batteria 1 dall’ambiente esterno.
In maggior dettaglio, nel caso descritto, la struttura di supporto 3 comprende una porzione superiore destra 3a’, una porzione superiore sinistra 3a’’, una porzione inferiore destra 3b’ ed una porzione inferiore sinistra 3b’’. Ciascuna delle porzioni prima menzionate è separata, lateralmente ed assialmente, rispetto alle altre in modo da consentire il passaggio di aria.
Sempre limitatamente a quanto illustrato, ogni porzione della struttura 3 definisce quattro alloggiamenti 4 per alloggiare batterie elettriche. Ovviamente, nel pacco batteria 1, all’interno del volume delimitato dalla carcassa contenente la struttura 3 e le batterie relative, sono presenti normalmente ulteriori elementi, quali cavi e connessioni elettriche tra le batterie e dalle batterie verso l’esterno, non illustrati e non descritti per brevità.
Secondo l’invenzione, il pacco batteria 1 comprende un sistema di sicurezza 2 configurato per iniettare un gas inerte alla combustione e con caratteristiche estinguenti (ad azione termica e/o chimica) all’interno del pacco batteria 1 quando la temperatura di una delle batterie del pacco batteria 1 supera una temperatura di soglia prefissata.
Vantaggiosamente dunque il sistema di sicurezza 2 è configurato per connettere selettivamente il pacco batteria 1 con una fonte 5 di gas inerte alla combustione in pressione, a seconda della temperatura dei moduli batteria che ad esso afferisco per disposizione fisica delle parti, come detto.
Preferibilmente, il suddetto gas inerte può essere anidride carbonica o azoto o ancora, qualsiasi altro gas atto allo scopo, cioè inerte alla combustione. Più preferibilmente la temperatura di soglia può essere una temperatura compresa tra 130°C e 180°C.
Conseguentemente a quanto sopra descritto, il sistema di sicurezza 2 comprende mezzi sensori 6 configurati per individuare una temperatura all’interno del pacco batteria 1 a livello di ciascun modulo o alternativamente ad un loro sottoinsieme, preferibilmente della struttura 3 o, meglio, delle batterie in esso contenute. Ad esempio i mezzi sensori 6 possono comprendere sensori di temperatura quali un termometro o una termocoppia. La misura di temperatura può provenire anche dalla centralina elettronica di controllo di ciascun modulo nel caso in quest’ultima sia presente. La comunicazione del segnale di temperatura all’unità di controllo elettronica 8 può essere filata (hardware) o preferibilmente tramite rete di comunicazione CAN o similare.
Facendo riferimento a figura 4, è schematicamente illustrata la struttura generale del sistema di sicurezza 2 in cui il pacco batteria 1 è fluidicamente collegato ad una fonte 5 di gas inerte alla combustione. Nel caso descritto, il sistema di sicurezza 2 comprende mezzi di valvola 7 fluidicamente interposti tra il pacco batteria 1 e la fonte 5 e configurati per permettere, o meno, il passaggio del gas compresso.
Vantaggiosamente la fonte 5 può essere realizzata esternamente dal pacco batteria 1 e comprendere un recipiente in pressione, quale ad esempio una bombola o un contenitore pressurizzato.
I mezzi di valvola 7 sono controllati in funzione della temperatura rilevata dai mezzi sensori 6 e preferibilmente possono comprendere valvole elettromeccaniche.
Il sistema di sicurezza 2 può dunque comprendere un’unità di controllo elettronica 8, elettricamente collegata ai mezzi sensori 6 ed ai mezzi di valvola 7, e configurata per controllare l’azionamento di questi ultimi sulla base dei valori ricevuti dai mezzi sensori 6.
In particolare, l’unità di controllo elettronica 8 comprende mezzi di elaborazione elettronici configurati per acquisire dati relativi alla temperatura all’interno del pacco batteria 1 da parte dei mezzi sensori 6, comparare tale valore con un valore soglia memorizzato e azionare conseguentemente i mezzi di valvola 7. In particolare, tale valore soglia memorizzato può essere prefissato, oppure variare in funzione di alcuni parametri operativi del veicolo, secondo una mappa memorizzabile dall’unità elettronica 8.
L’unità di controllo 8 può essere realizzata separata, integrata in un sistema BMS (battery management system) o nell’ECU del veicolo.
Nel caso descritto, il sistema di sicurezza in particolare comprende due fonti 5 di gas separate ed indipendenti, ciascuna fluidicamente connessa al pacco batteria 1 e provvista di mezzi di valvola 7 configurati per consentire selettivamente il flusso di gas all’interno del pacco batteria 1, come prima descritto.
Andando in maggior dettaglio, come illustrato nelle figure 1 e 2, il sistema di sicurezza 2 comprende mezzi di distribuzione 9 del gas compresso configurati per favorire una veloce e distribuita diffusione del gas inerte all’interno del pacco batteria 1.
Tali mezzi di distribuzione 9 comprendono vantaggiosamente almeno una tubazione 10 definente un percorso di distribuzione per il gas all’interno della carcassa del pacco batteria 1. Conseguentemente, la tubazione 10 comprende una prima estremità 10a fluidicamente connessa alla fonte 5, una seconda estremità 10b cieca ed una pluralità di aperture 11 realizzate lungo la tubazione 10 tra la prima e la seconda estremità 10a, 10b configurate per permettere la fuoriuscita del gas in compressione proveniente dalla fonte 5.
Nel caso descritto, i mezzi di distribuzione 9 comprendono due tubazioni 10, precisamente una tubazione superiore 10’ ed una tubazione inferiore 10’’. In maggior dettaglio, ciascuna tubazione 10 è configurata per passare lungo almeno parte del perimetro della struttura 3 e dunque di più batterie. Nel caso descritto, preferibilmente contorna la quasi totalità del perimetro di ogni porzione 3a’, 3a’’, 3b’, 3b’’ della struttura 3 e dunque nelle vicinanze di ciascuna delle batterie del pacco batteria 1.
Figura 4 illustra in maggior dettaglio le porzioni terminali 10a, 10b di una tubazione 10 e relative aperture 4. Può essere notato come la porzione 10b, cieca, è definita tramite una parete assiale 12, realizzata di pezzo con la tubazione 10, che impedisce il flusso del gas al di fuori della tubazione 10.
Come visibile in figura 2 e 3, le aperture 11 sono preferibilmente di forma circolare e realizzate equamente distanziate lungo lo sviluppo della tubazione 10. In maggior dettaglio sono presenti aperture 11 su una faccia destra ed una faccia sinistra della tubazione 10, definente così due serie di aperture 11.
Ovviamente, anche se non illustrate, le aperture 11 possono essere provviste di mezzi deflettori configurati per direzionare l’aria in uscita da queste ultime.
Il funzionamento della forma di realizzazione del pacco batteria 1 comprendente un dispositivo di sicurezza 2 secondo l’invenzione come sopra descritta è il seguente.
Riferendosi allo schema funzionale di figura 4, i mezzi sensori 6 rilevano costantemente la temperatura all’interno del pacco batteria 1 e tale valore viene acquisito dall’unità elettronica 8 che lo confronta con un valore di soglia predeterminato. Quando tale valore supera il valore di soglia predeterminato, allora l’unità elettronica 8 controlla i mezzi di valvola 7 per permettere il passaggio del gas compresso dalla fonte 5 all’interno del pacco batteria 1. Come illustrato in figura 2 e 3, il flusso FIN di gas in ingresso entra dalla prima estremità 10a e fuoriesce un flusso parzializzato FOUT da ciascuna apertura 11. Infatti, la parete 12 impedisce la fuoriuscita del gas dalla tubazione 10 in modo diretto che fuoriesce così in modo sostanzialmente uniforme da ciascuna apertura 11.
Il gas compresso, una volta fuoriuscente dai fori 11 tende ad espandersi, raffreddando repentinamente l’ambiente circostante e dunque raffreddando in modo mirato la zona surriscaldata. Inoltre, essendo un gas inerte alla combustione, impedisce la propagazione di un innesco di combustione.
Alla luce del funzionamento sopra descritto, l’invenzione è altresì relativa ad un metodo di controllo antincendio per un pacco batteria 1 come sopra descritto e comprendente le fasi di:
- individuare una temperatura nel pacco batteria 1per mezzo di mezzi sensori 6;
- se tale temperatura è minore di un valore di soglia prefissato, controllare i mezzi valvola 7 per impedire il passaggio di gas compresso nella fonte 5 nel pacco batteria 1;
- nel caso opposto, controllare i mezzi valvola 7 per permettere il passaggio di gas compresso nella fonte 5 nel pacco batteria 1.
Da quanto precede, risultano evidenti i vantaggi di un pacco batteria 1 comprendente un dispositivo di sicurezza 2 secondo l’invenzione.
In particolare, grazie all’immissione automatica di gas inerte sulla base di una temperatura di sicurezza prefissata, si può agire tempestivamente per disinnescare una fonte di incendio. Ancora, l’espansione del gas compresso, assorbendo calore, tende velocemente ad abbassare la temperatura del pacco batterie, diminuendo la possibilità di reazioni termiche a catena.
L’uso di mezzi di valvola 7 e mezzi sensori 6 controllati da un’unità elettronica 8 come descritto permette di realizzare il controllo di tale temperatura in modo economico ed integrato nel modulo di gestione batterie/veicolo già esistenti.
L’unità elettronica 8 consente anche di segnalare al veicolo attraverso la rete di comunicazione di bordo (CAN o similare) l’avvenuto azionamento delle elettrovalvole 7 al conducente al fine di attivare l’evacuazione del veicolo per elevato rischio d’incendio. Analoga informazione può essere trasmessa attraverso un canale di comunicazione wireless ad un centro di controllo remoto con diverse finalità, tra cui in primis l’attivazione dei soccorsi.
L’uso di mezzi di distribuzione 9 del gas all’interno del pacco batterie 1 permette di uniformare la distribuzione del gas, in modo da permettere il disinnesco/abbassamento della temperatura in qualsiasi punto del pacco batteria 1.
Il fatto che la fonte 5 sia esterna al pacco batteria 1 permette di mantenere contenute le dimensioni di quest’ultimo e, volendo, di integrare il sistema di sicurezza 2 in un altro circuito a gas del veicolo. In tal caso, l’uso di anidride carbonica risulta particolarmente economico ed utilizzabile anche in altri circuiti del veicolo.
Ancora, l’uso di due, o più, fonti 5 di gas in pressione indipendenti garantisce, in funzionamento corretto, un veloce raffreddamento e disinnesco di un incendio. In caso di malfunzionamento o esaurimento di una delle due fonti 5 o del relativo mezzo valvola 7, permette comunque il raffreddamento e disinnesco tramite la fonte e il mezzo valvola 7 rimanente. Il sistema risulta dunque ridondante e sicuro.
Risulta infine chiaro che al pacco batteria 1 comprendente un dispositivo di sicurezza 2 secondo la presente invenzione possono essere apportate modifiche e varianti che tuttavia non escono dall’ambito di tutela definito dalle rivendicazioni.
E’ chiaro che la forma di pacco batteria 1 descritta può essere variata a seconda della tipologia e dimensione del veicolo, nonché al numero di batterie che deve alloggiare. Dunque, la struttura 3 e gli alloggiamenti 4 possono variare in forma e numero.
Similmente, la fonte 5 di gas può essere realizzata singolarmente o all’interno del pacco batteria stesso, pur incrementandone le dimensioni.
Ancora, la forma ed il numero dei mezzi di distribuzione 2 e delle aperture 11, la tipologia di mezzi di valvola 7 o dei mezzi sensori 6 può essere variata a piacimento pur mantenendo la medesima funzione.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1.- Pacco batteria (1) per un veicolo, detto pacco batteria (1) comprendendo una struttura di supporto (3) configurata per definire uno o più alloggiamento (4) per una o più rispettive batterie elettriche, detto pacco batteria (1) comprendendo altresì una carcassa racchiudente detta struttura di supporto (3) e dette batterie ed isolandole dall’ambiente esterno, detto pacco batteria (1) comprendendo altresì un sistema di sicurezza (2) configurato per immettere gas inerte alla combustione all’interno del pacco batteria (1) quando in detto pacco batteria (1) sia superata una temperatura di soglia prefissata.
  2. 2.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 1, comprendente ulteriormente mezzi sensori (6) configurati per monitorare la temperatura in detto pacco batteria (1).
  3. 3.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 2, comprende ulteriormente mezzi di valvola (7) configurati per permettere il passaggio di gas in detto pacco batteria (1) da una fonte (5) di gas in pressione.
  4. 4.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 3, in cui detta fonte (5) è un contenitore per gas in pressione esterno rispetto a detto pacco batteria (1).
  5. 5.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detti mezzi di valvola (7) comprendono una valvola meccanica o elettromeccanica.
  6. 6.- Pacco batteria secondo una delle rivendicazioni da 3 a 5, comprendente ulteriormente un’unità elettronica (8) elettricamente collegata a detti mezzi sensori (6) e a detti mezzi valvola (7), detta unità elettronica (8) comprendendo mezzi di elaborazione elettronica configurati per acquisire un valore di temperatura da detti mezzi sensori (6), compararlo con un valore di soglia prefissato e memorizzato ed azionare conseguentemente detti mezzi valvola (7).
  7. 7.- Pacco batteria secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gas inerte alla combustione è anidride carbonica.
  8. 8.- Pacco batteria secondo una delle precedenti rivendicazioni da 3 a 7, comprendente mezzi di distribuzione (9) di detto gas, alloggiati all’interno di detta carcassa e configurati per distribuire detto gas in più parti all’interno di detta carcassa.
  9. 9.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 8, in cui detti mezzi di distribuzione (9) comprendono almeno una tubazione (10) definente un percorso all’interno di detto pacco batteria (1), detto percorso circondando, almeno parzialmente, una o più di dette batterie alloggiate da detta struttura (3).
  10. 10.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 9, in cui detta tubazione (10) comprende una pluralità di aperture realizzate lungo detto percorso.
  11. 11. Metodo di controllo antincendio per un pacco batteria (1) secondo una delle precedenti rivendicazioni comprendente le fasi di: - individuare in detto pacco batteria (1) per mezzo di mezzi sensori (6); - se detta temperatura è minore di un valore di soglia prefissato, controllare detti mezzi valvola (7) per impedire il passaggio di gas compresso da detta fonte (5) in detto pacco batteria (1); - nel caso opposto, controllare detti mezzi valvola (7) per consentire il passaggio di gas compresso da detta fonte (5) all’interno di detto pacco batteria.
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