IT202000011227A1 - Pacco batteria provvisto di sistema di sicurezza per il thermal runaway e veicolo provvisto di tale pacco batteria - Google Patents

Pacco batteria provvisto di sistema di sicurezza per il thermal runaway e veicolo provvisto di tale pacco batteria Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?PACCO BATTERIA PROVVISTO DI SISTEMA DI SICUREZZA PER IL THERMAL RUNAWAY E VEICOLO PROVVISTO DI TALE PACCO BATTERIA?
SETTORE TECNICO
La presente invenzione ? relativa ad un pacco batteria per veicolo a trazione elettrica, 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 a trazione, almeno parzialmente, elettrica comprendono una o pi? batterie configurate per fornire una fonte sufficiente di energia elettrica per consentire la trazione del veicolo nonch? 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 che sono alloggiati in un rispettivo pacco batteria che le isola dall?ambiente esterno.
? 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 cos? conseguentemente fino a portare a conseguenze disastrose quali emissioni gassose, esplosioni od incendi.
In tali casi ? necessario procedere ad un repentino raffreddamento del pacco batteria per evitare il propagamento di tale condizione tra i moduli batteria interni o almeno verso altre batterie adiacenti nonch? per evitare i danni, potenzialmente letali, per i passeggeri del veicolo.
Normalmente tale raffreddamento, che necessita di grandi quantit? di liquido estinguente, viene accedendo all?interno dei veicoli dai quali ? possibile raggiungere il pacco batterie, nel quale i soccorritori possono spruzzare/iniettare tale liquido estinguente. Tuttavia tale operazione risulta lunga, pericolosa e poco efficace proprio a causa dell?alloggiamento del pacco batteria e del fatto che ? necessario accedere all?interno del veicolo per raggiungerlo.
Un esempio di tali alloggiamenti, difficilmente raggiungibili da parte dei soccorritori, ? illustrato nelle domande FR3074454 A1, FR3059952 A1 e WO2013128143 A1.
? dunque sentita l?esigenza di fornire un pacco di batterie per un veicolo a trazione elettrica che consenta di agire tempestivamente per disinnescare un fenomeno di thermal runaway.
Scopo della presente invenzione ? soddisfare le esigenze sopra esposte in modo economico ed ottimizzato.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE
Il suddetto scopo ? raggiunto da un pacco batteria per veicolo e di un veicolo 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 ? una vista prospettica schematica e con parti rimosse per chiarezza di un veicolo comprendente un pacco batteria provvisto di un sistema di sicurezza secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione; ? Figura 2 ? una vista prospettica schematica e con parti rimosse per chiarezza di un veicolo comprendente un pacco batteria provvisto di un sistema di sicurezza secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; ? Figura 3 ? una vista in sezione trasversale di un elemento ingrandito di figura 2 in una prima condizione operativa; e
? Figura 4 ? una vista in sezione trasversale di un elemento ingrandito di figura 2 in una seconda condizione operativa.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE
Figura 1 illustra un veicolo 1 comprendente, come noto, una pluralit? di pareti 2 montate su di un telaio (non illustrato) mobile rispetto al terreno grazie a una pluralit? di ruote 3. Per mero scopo illustrativo, ? stato illustrato un veicolo commerciale leggero (in Inglese LCV Light Commercial Vehicle) o furgone, tuttavia la presente invenzione non ? da ritenersi limitata a tale forma realizzativa del veicolo 1.
Il veicolo 1 ? vantaggiosamente un veicolo a trazione elettrica, la cui energia necessaria ? fornita da almeno una batteria elettrica, in particolare una pluralit? di batterie 4 portate dal veicolo, vantaggiosamente supportate, secondo la forma realizzativa illustrata dal telaio di quest?ultimo in una zona sottostante il pianale del veicolo.
In particolare, la pluralit? di batterie 4 ? alloggiata all?interno di un pacco batterie 5 comprendente una carcassa 6 delimitante uno spazio interno 7 configurato per permette l?alloggiamento della pluralit? di batterie 4 nonch? dei vari elementi di connessione elettrica e dei sistemi di raffreddamento delle stesse.
Secondo un aspetto dell?invenzione, come illustrato nella forma di realizzazione di figura 1, il pacco batterie 5 comprende un sistema di sicurezza 8 configurato per consentire selettivamente la comunicazione fluidica tra l?ambiente esterno e lo spazio interno 7 del pacco batterie 5 al fine di permettere l?iniezione di fluidi configurati per raffreddare le batterie 4 qualora queste superino una temperatura prefissata.
In particolare, il sistema di sicurezza 8 comprende una tubazione 9 collegante lo spazio interno 7 con una delle pareti 2 del veicolo 1. La tubazione 9 comprende dunque una prima apertura 9a posta a contatto con l?ambiente esterno ed una seconda apertura 9b a contatto con lo spazio chiuso 7.
Vantaggiosamente, la prima apertura 9a ? richiudibile tramite un tappo (non illustrato) e pu? essere nascosta tramite uno sportellino 11, analogamente a quanto predisposto in una zona di rifornimento di carburante, di modo che non influenzi il profilo della carrozzeria.
Preferibilmente, il sistema di sicurezza 8 pu? comprendere inoltre una valvola (non illustrata), configurata per permettere il passaggio di fluido solo quando la temperatura all?interno dello spazio chiuso 7 raggiunge un predeterminato livello.
Alternativamente, tale valvola pu? essere una termovalvola di tipo noto configurata per aprirsi al raggiungimento del predeterminato livello di temperatura oppure un elemento di tappo in materiale plastico termofusibile configurato per sciogliersi alla suddetta temperatura prefissata. Vantaggiosamente la valvola ? alloggiata in prossimit? della seconda apertura 9b.
Grazie alla prima apertura 9a ? possibile iniettare un liquido, quale ad esempio acqua, soluzioni antincendio o gas inerti compressi all?interno dello spazio chiuso 7 grazie a qualsiasi tipo di tubazione 12, ad esempio una tubazione di quelle normalmente in dotazione ai vigili del fuoco o una qualsiasi tubazione d?acqua. A tal fine, la prima apertura 9a ? dimensionata per accogliere una vasta gamma di diametri di tubazioni di tipo noto per i veicoli antincendio e, comunque, per una tubazione semplice qualsiasi entro un intervallo di diametri prefissati.
Preferibilmente, il pacco batteria 5 pu? essere dotato di mezzi di sfiato 13 configurati per permettere lo sfiato di gas generantesi dall?iniezione di un liquido all?interno dello spazio chiuso 7 o di un gas inerte compresso.
Vantaggiosamente tali mezzi di sfiato possono comprendete una valvola di ritegno 14 configurata per permettere il passaggio di fluido dallo spazio chiuso 7 verso l?esterno e non viceversa. Preferibilmente tale valvola di ritegno 14 ? alloggiata all?interno di un condotto 15 fluidicamente collegante il pacco batteria 5 con l?esterno e realizzato ad ?U? rovesciata verso il terreno.
Il funzionamento della forma di realizzazione del pacco batteria 1 comprendente un sistema di sicurezza 8 come sopra descritta ? il seguente.
Qualora la temperatura delle batterie 4 raggiunga un valore prefissato, ad esempio 120-150?, rilevabile tramite mezzi sensori di temperatura posti in vicinanza delle stesse, l?autista del veicolo avvertito appositamente tramite segnalatori acustici o visivi presenti in cabina di guida pu? fermarsi in una area dotata di tubazioni d?acqua, ad esempio un?area di servizio, o chiamare i soccorsi per richiedere l?intervento dei soccorritori.
In qualsiasi caso, per raffreddare le batterie e dunque arrestare il fenomeno del runaway termico, ? sufficiente inserire fluido tramite la tubazione 12 all?interno del condotto 9. L?alta temperatura all?interno dello spazio chiuso 7 avr? fatto fondere o aprire la termovalvola presente in prossimit? della seconda apertura 9b e dunque il fluido potr? scorrere liberamente all?interno dello spazio chiuso 7, annegando le batterie e raffreddandole repentinamente.
Eventuali gas generantesi da tale iniezione di fluido o surplus di fluido iniettato all?interno dello spazio chiuso 7 saranno fatti sfiatare attraverso i mezzi di sfiato 13. Il funzionamento di tale sistema di sicurezza 8 ? analogo in caso di uso di gas inerte compresso. Una volta iniettato, il gas tender? ad espandersi sottraendo calore alle batterie e dunque raffreddandole e potr? fuoriuscire dai mezzi di sfiato 13.
Secondo un ulteriore aspetto dell?invenzione, come illustrato nella forma di realizzazione di figura 2, il pacco batterie 5 comprende un sistema di sicurezza 8 realizzato all?interno del pacco batterie 5 stesso, in particolare integrato nel sistema di raffreddamento delle batterie 4.
Come sopra anticipato, all?interno dello spazio chiuso 7 sono alloggiati differenti elementi funzionali quali una o pi? tubazioni 20 di un sistema di raffreddamento (non illustrato) delle batterie 4, normalmente un raffreddamento a liquido, quale un raffreddamento ad acqua. Il sistema di raffreddamento pu? essere un qualsiasi sistema di tipo noto, ed ? portato dal veicolo e comprende un fluido di condizionamento libero di circolare nelle tubazioni 20 in prossimit? delle batterie 4.
Il sistema di sicurezza 8 ? integrato in tali tubazioni 20 in modo da permettere selettivamente la comunicazione fluidica di tali tubazioni con lo spazio chiuso 7 in modo da consentire l?allagamento del pacco batterie 5 quando si supera una temperatura di soglia prefissata, quale 120?-150?C.
In particolare, il sistema di sicurezza 8 comprende uno o pi? elementi termofusibili 21 integrati nelle tubazioni 20 e configurato per fondersi quando la temperatura nello spazio 7 raggiunge il livello summenzionato. Preferibilmente tali elementi termofusibili 21 comprendono tappi 22 alloggiati in rispettivi fori 23 realizzati lungo le tubazioni 20. In normali condizioni di funzionamento, tali tappi 22 mantengono a tenuta il fluido di condizionamento all?interno delle tubazioni 20.
Secondo la forma illustrata, tali tappi sono portati lungo un asse A di sviluppo delle tubazioni 20, vantaggiosamente assialmente equidistanziati gli uni dagli altri e vantaggiosamente radialmente allineati tra loro rispetto all?asse A, cio? non sfasati angolarmente circonferenzialmente ad esso l?uno dall?altro.
Il funzionamento della forma di realizzazione del pacco batteria 1 comprendente un sistema di sicurezza 8 come sopra descritta ? il seguente.
In una condizione di normale funzionamento delle batterie 4, il fluido di condizionamento circola lungo le tubazioni 20 in vicinanza delle batterie 4, asportandone calore, come noto. In tale condizione, gli elementi termofusibili 21 impediscono qualsiasi fuoriuscita del fluido di condizionamento che corre in essi.
Qualora la temperatura delle batterie 4 raggiunga un valore prefissato, ad esempio 120-150?, il calore nello spazio chiuso 7 sar? tale da fondere gli elementi termofusibili 21.
In tal caso dunque, il fluido di condizionamento, intrinsecamente freddo, potr? scorrere liberamente all?interno dello spazio chiuso 7, annegando le batterie e raffreddandole repentinamente giacch? l?intero sistema di condizionamento si svuoter? nel pacco batterie 5.
Come nell?altra forma realizzativa descritta, eventuali gas generantesi da tale iniezione di fluido o surplus di fluido iniettato all?interno dello spazio chiuso 7 sar? fatto sfiatare attraverso i mezzi di sfiato 13. Il funzionamento di tale sistema di sicurezza 8 ? analogo in caso di uso di gas inerte compresso. Una volta iniettato, il gas tender? ad espandersi sottraendo calore alle batterie e dunque raffreddandole.
? inoltre possibile combinare le forme di realizzazione della presente invenzione illustrate in figure 1 e 2, per fornire un sistema di sicurezza 8 che consenta di raffreddare temporaneamente le batterie 4 grazie al sistema di figura 2 e poi consentire un raffreddamento finale grazie al sistema di figura 1, fornendo la massima sicurezza possibile. Per chiari motivi di brevit?, tale sistema non ? descritto ulteriormente, essendo a livello costruttivo una combinazione dei sistemi gi? sopra descritti.
Da quanto precede, risultano evidenti i vantaggi di un pacco batteria 5 comprendente un sistema di sicurezza 8 secondo l?invenzione.
In particolare, grazie alla possibilit? di ?annegare? lo spazio interno 7 del pacco batteria 5 in modo rapido e sicuro, senza dover accedere internamente al veicolo, ? possibile raffreddare repentinamente le batterie 4, fermando il fenomeno del runaway termico.
Nella forma di realizzazione in cui tale annegamento avviene tramite una tubazione esterna, tale pratica ? facilitata dal condotto 9 che permette la diretta comunicazione fluidica tra lo spazio interno 7 e l?esterno veicolo.
La presenza di una valvola all?interno del condotto 9 permette di evitare di evitare una comunicazione fluidica indesiderata se non in emergenza dovuta alla temperatura delle batterie 4.
Altres?, l?integrazione del sistema di sicurezza 8 con il sistema di condizionamento all?interno del pacco batteria 5 permette di ottenere in modo analogo gli effetti sopra descritti.
L?uso degli elementi termofusibili 21 permette di controllare molto precisamente la temperatura in cui viene permesso l?allagamento dello spazio 7. Inoltre, tali elementi si integrano nelle tubazioni 20 gi? esistenti in modo economico e creare ulteriori ingombri all?interno dello spazio 7.
Ancora, la presenza dei messi di sfiato 13 impedisce che eventuali gas generantesi all?interno del pacco batteria 5 possano aumentare la pressione all?interno del medesimo in modo pericoloso.
La combinazione dei sistemi di sicurezza 8 sopra descritti, interno ed esterno, possono inoltre fornire una ulteriore sicurezza in quanto possono temporaneamente fermare il fenomeno del thermal runaway, grazie al sistema di sicurezza 8 interno, consentendo di raggiungere in sicurezza un?area in cui sia possibile annegare ulteriormente il pacco batteria 5, grazie al sistema di sicurezza 8 esterno.
Risulta infine chiaro che al pacco batteria 5 comprendente un sistema di sicurezza 8 secondo la presente invenzione possono essere apportate modifiche e varianti che tuttavia non escono dall?ambito di tutela definito dalle rivendicazioni.
Ad esempio ? chiaro, come gi? detto, che il veicolo pu? essere di qualsiasi tipologia e comprendere pi? pacchi batteria 5 e posizionati differentemente rispetto a quanto descritto.
Ancora, ? chiaro che possono essere previste differenti tubazioni di collegamento dello spazio 7 con l?esterno o in punti differenti del veicolo, cos? come la valvola all?interno di tali condotti o i mezzi di sfiato possono essere opzionali.
Inoltre, l?integrazione del sistema di sicurezza nelle tubazioni del sistema di raffreddamento pu? essere realizzata in modo differente e attraverso differenti elementi termofusibili.
Come anticipato, le due forme di realizzazione sopra descritte possono essere combinate tra loro, seppure non siano state descritte.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI
1.- Pacco batteria (5) per un veicolo (1), detto pacco batteria (5) comprendendo una carcassa (6) definente uno spazio chiuso (7) configurato per alloggiare una o pi? batterie elettriche (4), detto pacco batteria (5) comprendendo un sistema di sicurezza (8) configurato per permettere di immettere selettivamente fluidi all?interno di detto spazio chiuso (7) quando la temperatura in detto pacco batteria (5) superi una temperatura di soglia prefissata, detto sistema di sicurezza (8) essendo configurato per permettere selettivamente la comunicazione fluidica tra detto spazio chiuso (7) ed una parete (2) di detto veicolo (1).
2.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di sicurezza (8) comprende un condotto (9) fluidicamente collegante detto spazio chiuso (7) e detta parete (2), detto condotto (9) comprendendo una prima apertura (9a) posta a contatto con l?ambiente esterno ed una seconda apertura (9b) posta a contatto con detto spazio chiuso (7).
3.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 2, in cui detta seconda apertura (9b) ? configurata per consentire l?accoppiamento con una tubazione (12) di un veicolo antincendio.
4.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta seconda apertura (9b) ? provvista di uno sportello (11) configurato per isolare selettivamente detta seconda apertura (9b) dall?ambiente esterno.
5.- Pacco batteria secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui detto sistema di sicurezza (8) comprende una termovalvola configurata per permettere la comunicazione fluidica tra detta prima apertura (9a) e detta seconda apertura (9b) solo quando viene raggiunta detta temperatura prefissata.
6.- Pacco batteria secondo una delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui detto sistema di sicurezza (8) comprende una termovalvola realizzata in materia termoplastico e configurata per fondersi quando viene raggiunta detta temperatura prefissata.
7.- Pacco batteria secondo una delle precedenti rivendicazioni, comprendente un sistema di raffreddamento a fluido configurato per asportare calore da dette batterie elettriche (4), detto sistema di raffreddamento comprende una o pi? tubazioni (20), detto sistema di sicurezza (8) essendo inoltre integrato in dette tubazioni (20) e configurato per permettere la comunicazione fluidica tra dette tubazioni (20) e detto spazio chiuso (7) quando viene raggiunta detta temperatura prefissata.
8.- Pacco batteria (5) per un veicolo (1), detto pacco batteria (5) comprendendo una carcassa (6) definente uno spazio chiuso (7) configurato per alloggiare una o pi? batterie elettriche (4), detto pacco batteria (5) comprendendo un sistema di sicurezza (8) configurato per permettere di immettere selettivamente fluidi all?interno di detto spazio chiuso (7) quando la temperatura in detto in detto pacco batteria (5) superi una temperatura di soglia prefissata, detto pacco batteria (5) comprendendo un sistema di raffreddamento a fluido configurato per asportare calore da dette batterie elettriche (4), detto sistema di sicurezza (8) essendo integrato in detto sistema di raffreddamento a fluido.
9.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 8, in cui detto sistema di raffreddamento comprende una o pi? tubazioni (20), detto sistema di sicurezza (8) essendo integrato in dette tubazioni (20) e configurato per permettere la comunicazione fluidica tra dette tubazioni (20) e detto spazio chiuso (7) quando viene raggiunta detta temperatura prefissata.
10.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 9, in cui dette una o pi? tubazioni (20), sono dotate di uno o pi? elementi termofusibili (21) configurati per sciogliersi quando viene raggiunta detta temperatura prefissata, permettendo la comunicazione fluidica tra dette tubazioni (20) e detto spazio chiuso (7).
11.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 10, in cui detti uno o pi? elementi termofusibili (21) comprendono una pluralit? di tappi (22) alloggiati a tenuta in rispettivi fori (23) realizzati lungo dette una o pi? tubazioni (20) e configurati per fondersi quando viene raggiunta detta temperatura prefissata.
12.- Pacco batteria secondo una delle rivendicazioni da 8 a 11, in cui detto sistema di sicurezza (8) comprende inoltre un condotto (9) fluidicamente collegante detto spazio chiuso (7) e detta parete (2), detto condotto (9) comprendendo una prima apertura (9a) posta a contatto con l?ambiente esterno ed una seconda apertura (9b) posta a contatto con detto spazio chiuso (7).
13.- Pacco batteria secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente mezzi di sfiato (13) configurati per permettere a fluidi di fuoriuscire da detto spazio chiuso (7) verso l?ambiente esterno quando la pressione in detto pacco batteria (5) raggiunge un livello prefissato.
14.- Pacco batteria secondo la rivendicazione 13 in cui detti mezzi di sfiato (13) comprendono una valvola di ritegno (14) configurata per permettere il passaggio di fluido dallo spazio chiuso (7) verso l?esterno e non viceversa.
15.- Veicolo (1) comprendente un pacco batteria (5) secondo una delle precedenti rivendicazioni.
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