IT202000014200A1 - Pacco batteria per veicolo agricolo e/o da lavoro e veicolo agricolo e/o da lavoro comprendente detto pacco batteria - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

?Pacco batteria per veicolo agricolo e/o da lavoro e veicolo agricolo e/o da lavoro comprendente detto pacco batteria?

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa all?ambito dei veicoli elettrici o ibridi agricoli e/o industriali da lavoro.

Stato della tecnica

Generalmente, un veicolo ibrido o elettrico comprende uno o pi? pacchi batteria. Ciascun pacco batteria comprende pi? pacchi batteria. Un pacco batteria comprende uno o pi? moduli e ciascun modulo comprende uno o pi? celle.

Generalmente, un pacco comprende un relativo dispositivo di monitoraggio BMC (Battery Management control) che ha il compito di monitorare diversi parametri di funzionamento del modulo ed eventualmente di disconnetterlo per ragioni di sicurezza e/o di salvaguardia della batteria stessa e di controllare ed equilibrare lo stato di carica (SOC) dei singoli moduli. Alcune volte, un modulo contiene una singola cella. Per moduli si intende un componente che forma un unico pezzo non disassemblabile se non danneggiandolo.

I diversi BMC di un pacco batteria sono poi collegati in relazione di slave ad un cosiddetto BMS (Battery Managment System) che, da master, elabora le informazioni acquisite dai BMC ed interagisce con l?elettronica di bordo, generalmente la VCU (Vehicle Control Unit) che gestisce diversi sottosistemi veicolari, tra cui il pacco batteria. Secondo alcune soluzione il BMC ? integrato nello stesso modulo, mentre secondo altre soluzioni, il modulo ? privo di BMC.

Sono stati sviluppati negli anni molti pacchi batterie. Le batterie pi? spesso adoperate sono quelle imbustate (pouch) perch? consentono un pi? alto grado di adattabilit? alla specifica implementazione oppure molto spesso anche moduli di forma cilindrica oppure prismatica. Generalmente si tratta di moduli agli ioni di litio.

In ambito automobilistico, le auto sono destinate a durare un numero limitato di anni e pertanto, le case costruttrici sono orientate a produrre pacchi batteria dedicati alla specifica implementazione con soluzioni talvolta complesse e difficilmente ricondizionabili. Non si prevede infatti che sia possibile sostituire un singolo modulo di un pacco batteria se non addirittura negli stabilimenti dello stesso costruttore.

In ambito agricolo e nel caso di veicoli da lavoro e costruzione, tali veicoli sono destinati ad usi gravosi e spesso questi restano in servizio per pi? di 10 anni. La tecnologia dei carrelli elevatori ha dimostrato nel caso di applicazioni con batterie al piombo come possa essere praticabile la sostituzione del pacco (battery swap). Ci? implica che risulta necessario prevedere la possibilit? di ricondizionare i pacchi batteria di primo impianto, possibilmente dando la possibilit? ad officine specializzate o addirittura agli stessi proprietari di poter intervenire autonomamente.

Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

Sommario dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un pacco batteria estremamente facile da assemblare e da manutenere.

L?idea di base della presente invenzione ? quella di proporre un pacco batteria formato da una pluralit? di moduli aventi forma prismatica, ciascuno avendo due terminali disposti su una medesima faccia, in cui i moduli della pluralit? di moduli sono operativamente disposti reciprocamente affiancati, una scheda elettronica comprendente una pluralit? di aperture passanti in corrispondenza dei terminali della pluralit? di moduli operativamente disposti, ed una pluralit? di viti o dadi per bloccare detta unica scheda elettronica con/su i terminali di detta pluralit? di moduli, ed in cui detta scheda elettronica comprende piste e metallizzazioni cosicch? il bloccaggio della scheda elettronica sui terminali della pluralit? di moduli determina anche il loro rispettivo collegamento elettrico di potenza in serie e/o in parallelo secondo un preordinato schema di collegamento. Vantaggiosamente, non sono impiegati fili elettrici, n? tanto meno connessioni a saldare.

La scheda elettronica interconnette elettricamente tutti i moduli sottoposti ad un medesimo BMS (Battery Management System) vale a dire mezzi di supervisione e controllo della pluralit? di moduli batteria.

Di seguito, l?espressione ?modulo? o ?moduli? implica rispettivamente ?modulo batteria? o ?moduli batteria?.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, la scheda elettronica interconnette elettricamente tutti i moduli di un medesimo pacco batteria alloggiati in un contenitore. In altre parole, un pacco batteria comprende una ed una sola scheda elettronica.

La scheda elettronica ? realizzata mediante un wafer piano sottoposto a tecniche fotolitografiche note in s?, o processi equivalenti su cui sono ricavate almeno le piste di potenza.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, la scheda elettronica comprende mezzi per rilevare una errata disposizione del modulo batteria che pu? potenzialmente portare ad una polarit? di collegamento incorretta.

Secondo una variante preferita dell?invenzione che si combina con una qualunque delle precedenti, la scheda elettronica comprende un connettore di potenza atto a consentire la connessione elettrica di potenza della rispettiva pluralit? di celle con un carico, esterno.

Secondo una ulteriore variante preferita dell?invenzione che si combina con una qualunque delle precedenti, la scheda elettronica comprende un connettore a pettine per ricevere e supportare fisicamente una seconda scheda elettronica definente un BMS.

Secondo una variante dell?invenzione, alternativa alla precedente, il BMS ? direttamente realizzato sulla scheda elettrica, la quale supporta contemporaneamente piste di potenza e piste di supervisione e controllo dei moduli batteria. Pertanto l?unica scheda elettronica comprende un wafer su cui sono realizzati due o pi? circuiti di potenza e di controllo e supervisione.

Allo scopo di evitare interferenze tra i circuiti, essi possono essere realizzate su facce opposte della scheda elettronica e/o su strati diversi della scheda elettronica. Secondo una ulteriore variante preferita dell?invenzione, che si combina con una qualunque delle precedenti varianti, la scheda elettronica comprende piste ed interruttori per gestire il bilanciamento di carica tra i moduli connessi alla stessa scheda elettronica secondo schemi e metodi noti in s?. Pertanto, ulteriori circuiti deputati al bilanciamento di carica dei moduli batteria possono essere realizzati in specifici strati della scheda elettronica. Preferibilmente, il contenitore del pacco batteria ha forma parallelepipeda di materiale metallico rivestito di uno strato isolante con una parete asportabile, applicato per esempio sotto forma di vernice. La forma del contenitore ? ottimizzata per contenere esattamente, un numero intero di moduli, i quali sono alloggiati nel contenitore del pacco batterie attraverso la parete asportabile mantenendo i terminali accessibili attraverso la parete asportabile in modo da poter introdurre la scheda elettronica nel contenitore e associare una alla volta i terminali di tutti i moduli. Al termine di tale operazione, il contenitore ? chiuso da un coperchio che definisce la suddetta parete asportabile.

Preferibilmente, il coperchio funge anche da dissipatore termico essendo dotato di opportuna alettatura.

Preferibilmente, il coperchio definisce una base del contenitore, leggermente maggiore della base inferiore, in quanto il contenitore si allarga superiormente alla posizione dei terminali in modo da consentire alla scheda elettronica di aggettare lateralmente. Il coperchio copre interamente la scheda elettronica, la quale risulta almeno parzialmente accessibile dalla faccia opposta rispetto a quella che fronteggia il coperchio. La porzione accessibile della scheda elettronica ? dotata del suddetto connettore di potenza. Preferibilmente, quando la scheda elettronica supporta o definisce un BMS, sulla stessa faccia ? alloggiato un connettore di controllo disposto di fianco al connettore di potenza, che permette di interfacciare il pacco batteria con una rete dati veicolare.

Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

nella figura 1 ? mostrata una rappresentazione prospettica dall?alto di un esempio di pacco batteria secondo la presente invenzione;

nella figura 2 ? mostrato un esploso dello stesso pacco batteria di figura 1;

nella figura 3 ? mostrata una vista prospettica dall?alto del pacco batteria delle figure precedenti privato di involucro esterno in cui alcuni componenti sono mostrati in esploso rispetto alle restanti parti;

nella figura 4 ? mostrata una vista dall?alto del pacco batteria secondo la le figure precedenti;

nella figura 5 mostrata una sezione longitudinale A-A tracciata nella figura 4;

nella figura 6 ? mostrata una vista dall?alto di un componente del pacco batteria, come appare in isolamento, secondo la sezione B-B della figura 5;

nella figura 7 ? mostrata una vista dall?alto del pacco batteria secondo la sezione C-C della figura 5;

nelle figure 8 e 9 sono mostrati dettagli rispettivamente delle figure 5 e 4 secondo una variante preferita dell?invenzione.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Nell?ambito della presente descrizione il termine ?secondo? componente non implica la presenza di un ?primo? componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione L?idea di base della presente invenzione ? quella di proporre un pacco batterie BP formato da una pluralit? di moduli batteria M, tutti uguali tra loro, ciascuno avente forma parallelepipeda, cos? come si comprende osservando assieme le figure 4 e 5 che sono viste reciprocamente perpendicolari tra loro, mentre la figura 1 mostra il medesimo esempio di pacco batteria rappresentato secondo una vista prospettica dall?alto.

In particolare, la figura 4 ? una vista dall?alto del pacco batteria con in evidenza il coperchio LD della stessa.

La figura 7 mostra ancora una vista dall?alto del pacco batteria, a cui ? stato asportato sia il coperchio LD, mostrato in figura 4, sia una scheda elettronica EB mostrata in figura 6 dall?alto e nelle figure 2 e 3 secondo una vista prospettica.

Quando il pacco batteria ? assemblato, la scheda elettronica EB ed il coperchio LD sono circa paralleli tra loro.

Ciascuno dei moduli M ha due terminali T+ e T- disposti su una medesima faccia del modulo M. I moduli del pacco batteria sono operativamente disposti reciprocamente affiancati, in modo che anche la forma del pacco batteria risulta circa parallelepipeda. Essi pertanto definiscono un vettore od una matrice.

Secondo la presente invenzione, la scheda elettronica EB comprendente una pluralit? di aperture passanti TH in corrispondenza dei terminali T+ e T-, quando le celle sono disposti in condizioni operative, ed una pluralit? di viti o dadi N permette di bloccare detta scheda elettronica con/su i terminali della pluralit? di moduli ottenendone il relativo collegamento di potenza secondo una preordinata configurazione serie/parallelo dei moduli stessi. In particolare, la scheda elettronica EB comprende piste di potenza PB, cosicch? il bloccaggio della scheda elettronica con i terminali della pluralit? di moduli determina anche il loro collegamento elettrico di potenza in serie e/o in parallelo.

Preferibilmente, le aperture TH sono contornate da una metallizzazione a forma di corona circolare destinata ad essere contattata dalla testa di una vite o da un dado N nella operazione di collegamento meccanico del terminale del modulo alla scheda elettronica.

Tale metallizzazione ? opportunamente collegata con almeno le piste di potenza stampate sulla scheda elettronica.

Ad esempio, con riferimento alla figura 6, i moduli risultano tutti in serie tra loro, inoltre essi sono disposti su due file affiancate a definire una matrice 2 x 5. Evidentemente, le piste possono essere realizzate in modo da ottenere il parallelo di due serie di moduli oppure il parallelo di tutti i moduli M.

Evidentemente, quando la pluralit? di moduli ? disposta nel contenitore H che la racchiude, i terminali T+ e T- si affacciano verso l?apertura chiudibile mediante il coperchio LD.

Un unico contenitore potrebbe racchiudere due pluralit? di moduli ciascuna delle quali ? accomunata da una rispettiva scheda elettronica EB.

Ad una scheda elettronica corrisponde un BMS in relazione 1:1. In particolare, secondo la variante delle figure 8 e 9, sulla scheda elettronica sono realizzate ulteriori piste, di segnale, che conducono ad almeno uno zoccolo SK che consente di collegare ed al tempo stesso supportare una seconda scheda elettronica BMS-B su cui ? realizzato un BMS.

Tale configurazione risulta essere estremamente vantaggiosa in quanto, lo stesso BMS ? separabile dalla scheda elettronica EB che interconnette i moduli batteria M.

Vantaggiosamente, in caso di guasto di un modulo risulta possibile disconnettere tutti i moduli batteria semplicemente svitando i dadi o viti e sostituire lo stesso. L?operazione non richiede l?uso di saldatore o attrezzi particolari. Inoltre, non ci si trova di fronte a cavi e conduttori dei quali risulta necessario ricordare l?ordine.

Allo stesso modo, se la strumentazione di bordo di un veicolo indica l?impossibilit? di comunicare con il BMS oppure un evidente problema sul BMS lo stesso pu? essere sostituito semplicemente asportando il coperchio ed estraendo il BMS dallo zoccolo SK.

Dal momento che la scheda elettronica EB ? realizzata su un wafer, le piste di potenza possono essere realizzate su una prima faccia, mentre le piste necessarie al monitoraggio dei singoli moduli batteria, oppure per realizzare un bilanciamento di carica dei singoli moduli ? realizzato su una seconda faccia opposta alla prima, oppure su uno strato pi? interno del wafer.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, detta unica scheda elettronica comprende mezzi LG per rilevare una errata disposizione di modulo batteria tale da indurre una polarit? di collegamento incorretta.

Preferibilmente, tra i fori passanti TH di una cella ? collegato elettricamente un diodo LED collegato in modo da accendersi quando il modulo ? disposto in modo errato.

Secondo una variante preferita dell?invenzione che si combina con una qualunque delle precedenti, detta unica scheda elettronica comprende un connettore di potenza PC atto a consentire la connessione elettrica di potenza della rispettiva pluralit? di moduli con un carico, esterno.

Preferibilmente, un ulteriore connettore di controllo CC ? disposto sulla scheda elettronica per consentire l?interfacciamento del BMS del pacco batteria con una elettronica di bordo di un veicolo che utilizza tale pacco batteria.

La forma del contenitore H ? ottimizzata per contenere esattamente, un numero intero di moduli, i quali sono alloggiati nel contenitore attraverso la parete asportabile definente il suddetto coperchio LD, in modo da poter introdurre la scheda elettronica nel contenitore e associare, uno alla volta, i terminali di tutti i moduli alla scheda elettronica EB. Al termine di tale operazione, il contenitore pu? essere chiuso mediante il suddetto coperchio LD che definisce la suddetta parete asportabile. Preferibilmente, il coperchio funge anche da dissipatore termico essendo dotato di opportuna alettatura W.

Preferibilmente, il coperchio definisce una base del contenitore, leggermente maggiore della base inferiore BT, in quanto il contenitore si allarga superiormente alla posizione dei terminali in modo da consentire alla scheda elettronica EB di aggettare lateralmente rispetto alla matrice definita dalla pluralit? di moduli batteria M. Il coperchio copre interamente la scheda elettronica, la quale risulta almeno parzialmente accessibile dalla faccia opposta rispetto a quella che fronteggia il coperchio. La porzione accessibile della scheda elettronica ? dotata del suddetto connettore di potenza PC e possibilmente del connettore di controllo CC.

Secondo le figure 4 ? 9 il connettore di potenza ? unico per entrambi i terminali del pacco batteria.

Secondo le figure 1 ? 3, invece, ciascun terminale ha un connettore PC+, PC- indipendente ed anche tale terminale ? fissato alla scheda elettronica EB mediante vite o dado. Anche in questo caso la scheda elettronica ? dotata di un?apertura con una circostante metallizzazione ed un vite o dado, bloccando il connettore sulla scheda elettronica, contatta tale metallizzazione realizzando una connessione elettrica oltre che meccanica.

Anche in questo caso, l?assemblaggio non necessita di saldature e cavi elettrici.

In relazione al numero di conduttori elettrici destinati all?interfacciamento del pacco batteria con la rete dati veicolare, il connettore di controllo CC pu? essere saldato sulla scheda elettronica oppure fissato in modo similare ai connettori di potenza.

La presente invenzione, trova particolare applicazione nell?ambito dei veicoli agricoli e/o industriali da lavoro indicati con l?acronimo anglosassone ?Non-Road mobile machinery?. Vale a dire quei

- piccoli attrezzi da giardinaggio e portatili (tosaerba, motoseghe, ecc.)

- macchine edili (escavatori, pale caricatrici, bulldozer, ecc.)

- macchine agricole e agricole (mietitrici, coltivatori, trattori ecc.)

- vagoni ferroviari, locomotive e navi della navigazione interna.

Una applicazione preferita prevede l?implementazione del presente pacco batteria in un veicolo semovente, preferibilmente dotato di un organo operatore quale ad esempio un braccio di lavoro o una pala oppure una presa di forza.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1. Un pacco batteria (BP) comprendente

- una pluralit? di moduli batteria (M) aventi forma parallelepipeda, ciascuno avendo i relativi terminali (T+, T-) disposti su una medesima faccia, in cui i moduli sono operativamente disposti reciprocamente affiancati con i relativi terminali disposti in modo che i relativi estremi giacciono tutti quanti in un unico piano,

- una scheda elettronica (EB) comprendente una pluralit? di aperture (TH) passanti in corrispondenza dei terminali della pluralit? di celle operativamente disposte,

- una pluralit? di viti o dati (N) per bloccare detta scheda elettronica con/su i terminali di detta pluralit? di moduli,

ed in cui detta scheda elettronica comprende piste e metallizzazioni cosicch? il bloccaggio meccanico della scheda elettronica con/su i terminali della pluralit? di moduli batteria determina anche il loro rispettivo collegamento elettrico di potenza in serie e/o in parallelo secondo un preordinato schema di collegamento.

2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta scheda elettronica comprende almeno uno zoccolo (SK) di interconnessione elettrica e supporto meccanico di una seconda scheda elettronica (BMS) definente un BMS (Battery Management System) ed in cui detta scheda elettronica comprende piste elettriche per interconnettere elettricamente detti terminali con detto zoccolo.

3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta scheda elettronica comprende un?area in cui sono alloggiati componenti elettronici per definire un BMS (Battery Management System) ed in cui detta scheda elettronica comprende piste elettriche per interconnettere elettricamente detti terminali con detto BMS.

4. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 2 o 3, ulteriormente comprendente mezzi per realizzare un bilanciamento di carica passivo, attivo o una combinazione dei due, tra i moduli batteria interconnessi con detta scheda elettronica.

5. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 1 ? 4, ulteriormente comprendente mezzi (LG) per rilevare una errata disposizione di un modulo batteria (M) tale da determinare una relativa errata polarit? quando interconnesso elettricamente con detta scheda elettronica.

6. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detta scheda elettronica (EB) ? realizzata mediante un wafer piano comprendente piste elettriche di altrettanti circuiti, disposte su una faccia, su entrambe le facce e/o su strati intermedi del wafer.

7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui detta scheda elettronica comprende un connettore di potenza (PC) a cui ? possibile collegare un carico esterno e/o in cui detta scheda elettronica comprende un connettore di controllo (CC) per interfacciare detto BMS con una rete dati veicolare.

8. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 1 - 7, in cui la scheda elettronica interconnette elettricamente tutti i moduli batteria di un medesimo pacco batteria alloggiati in un contenitore (H).

9. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 1 ? 8, ulteriormente comprendente un contenitore(H) avente forma parallelepipeda di materiale metallico con una parete superiore (LD) asportabile, definente un coperchio, in cui il contenitore ? fatto in modo da contenere esattamente un numero intero di moduli batteria (M) ed in modo da poter introdurre la scheda elettronica nel contenitore e associare, uno alla volta, i terminali di tutte i moduli, ed in cui detto coperchio ? dotato di una alettatura (W) di dissipazione termica.

10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui detto coperchio definisce una base del contenitore, leggermente maggiore di una corrispondente base inferiore (BT), detto contenitore allargandosi superiormente in corrispondenza della scheda elettronica operativamente interconnessa con detti terminali, in modo da consentire alla scheda elettronica di aggettare lateralmente rendendo accessibile detto connettore di potenza e/o detto connettore di controllo su una faccia della scheda elettronica opposta rispetto ad una faccia della scheda elettronica che fronteggia il coperchio (LD).

11. Veicolo semovente, preferibilmente del tipo ?Non-Road mobile machinery? comprendente un pacco batteria secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti.