IT202000017428A1 - Controllo di tenuta di una cella di una batteria che impiega un sensore a fotoionizzazione - Google Patents

Controllo di tenuta di una cella di una batteria che impiega un sensore a fotoionizzazione Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?CONTROLLO DI TENUTA DI UNA CELLA DI UNA BATTERIA CHE IMPIEGA UN SENSORE A FOTOIONIZZAZIONE?
La presente riguarda l?impiego di una sensore a fotoionizzazione per il controllo di tenuta di celle di batterie, in particolare per rilevare perdite di grande entit?.
Sono descritti un sistema di controllo che impiega uno o pi? sensori a fotoionizzazione per rilevare perdite di grossa entit? in una cella di una batteria, nonch? una stazione per il controllo di tenuta di una cella di una batteria, e un relativo metodo, che comprende due sistemi volti ad rilevare rispettivamente perdite di grande entit? e perdite di entit? inferiore.
Sono note diverse tipologie di sensori che consentono di rilevare la presenza di elementi aeriformi, quali gas/vapori o composti organici volatili (VOC), che possono fuoriuscire da oggetti o da impianti nel caso tali oggetti o impianti presentino perdite. Tali sensori sono applicati sia in ambito domestico che in ambito industriale e sfruttano tecnologie di diverso tipo che possono essere ad esempio di tipo ottico, elettrochimico, catalitico o a semiconduttori.
Questi sensori vengono ampiamente utilizzati in ambito industriale per il monitoraggio di impianti sia in ambiente chiuso che aperto, per verificare ad esempio che la qualit? dell?aria in uno stabilimento industriale sia conforme alle normative previste o per rilevare esalazioni di gas nelle discariche a cielo aperto o in impianti petroliferi.
I sensori consentono dunque di individuare l?emissione di elementi aeriformi pericolosi e/o nocivi che potrebbe causare seri problemi sia dal punto di vista della sicurezza ambientale e personale, sia dal punto di vista della salute per l?uomo.
Una delle tipologie di sensori utilizzate ? quella che sfrutta il principio della fotoionizzazione (cosiddetti PID sensors) per rilevare tipicamente tracce di composti organici volatili in modo rapido ed efficace. Pi? in particolare, il sensore a fotoionizzazione espone il composto organico ad una luce ultravioletta scindendolo in ioni positivi e ioni negativi. La concentrazione del gas ionizzato viene determinata rilevando la carica del gas ionizzato.
La presente invenzione riguarda l?impiego di sensori a fotoionizzazione in un sistema per il controllo di tenuta di una cella o pi? celle di una batteria, pi? in particolare l?impiego di tali sensori per effettuare un controllo cosiddetto di gross-leak, ovvero di sottoporre la cella o un insieme di celle ad una verifica che consenta di individuare la presenza di perdite di grande entit? nella cella o nell?insieme di celle.
Il controllo di gross-leak pu? essere effettuato in associazione, di solito in via preliminare, ad un controllo pi? fine di tenuta (cosiddetto di fine leak) eseguito con strumenti pi? complessi e costosi come spettrometri di massa i quali consentono di individuare perdite di entit? inferiore nella cella o nell?insieme di celle. Sottoporre la cella ad un controllo di gross leak in via preliminare ad un controllo di fine leak consente di prevenire contaminazioni del sistema utilizzato nel controllo di fine leak. Infatti, nel caso in cui venga identificata una perdita di grande entit?, la cella viene scartata e non viene sottoposta al successivo controllo pi? fine.
E? possibile anche prevedere l?esecuzione di un controllo di gross-leak a se stante (senza successivo controllo di fine leak) nel caso in cui non sia richiesto un rilevamento pi? fine della perdita.
Una stazione per il controllo della tenuta di celle di batterie (non mostrata nelle figure) comprende un sistema comprendente una camera da vuoto nella quale ? inserita la cella da controllare, opportuni condotti e uno strumento di rilevamento e misurazione, ad esempio uno spettrometro di massa, collegato alla camera da vuoto per rilevare elementi aeriformi, ad esempio gas/vapori che sono normalmente presenti all?interno della cella finita o che derivano da parti e/o sostanze presenti all?interno della cella e che sono essenziali o quanto meno utili per il normale funzionamento della cella. Il sistema comprende inoltre un?unit? di elaborazione che sulla base di un segnale ricevuto dallo strumento di rilevamento e misurazione identifica la presenza di perdite confrontando valori corrispondenti a detti gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati.
Per preservare il sistema di controllo descritto sopra, ? possibile dotare la stazione di un ulteriore sistema di controllo per determinare se la cella da controllare presenta perdite di notevole entit? (?grosse perdite?), definito nel seguito anche come gruppo di verifica e indicato in figura con il riferimento 1. Tali perdite renderebbero il controllo tramite lo spettrometro non solo inutile ma anche dannoso, ovvero potenzialmente inquinante per lo spettrometro e il sistema di controllo stesso.
Tale gruppo di verifica 1 pu? essere dunque integrato in una stazione di controllo come quella appena descritta oppure pu? essere collocato, come postazione fissa o mobile, in una linea di produzione per controllare pi? celle alla volta.
La figura 1 mostra schematicamente una possibile realizzazione del gruppo di verifica 1 in una linea di produzione.
In particolare la figura 1 mostra un insieme di celle 2 che vengono controllate simultaneamente dal gruppo di verifica 1. Ai fini del controllo viene definita una porzione di spazio 3 isolata rispetto all?ambiente .Tale porzione di spazio 3 pu? essere definita e isolata rispetto all?ambiente esterno per mezzo ad esempio di un involucro mobile schematicamente indicato in figura con il riferimento 4. La definizione della porzione di spazio 3 consente di creare un campione di gas destinato ad essere analizzato in particolare per individuare grosse perdite presenti in almeno una delle celle da verificare. Tale campione di gas ? circoscritto dalla porzione di spazio 3 e comprende l?aria e gli elementi aeriformi, ovvero eventuali gas/vapori, fuoriusciti dalle celle in caso di perdita che sono presenti in tale porzione di spazio 3.
La porzione di spazio 3 ? collegata a un sistema di aspirazione 5 che induce un?aspirazione forzata del campione di gas e lo incanala in un condotto di aspirazione 6 opportunamente dimensionato verso un sensore 7, generando quindi una corrente di gas. Il sensore 7 ? connesso al condotto di aspirazione 6. Secondo una realizzazione preferita ? posizionato all?interno di tale condotto 6. L?aspirazione forzata del campione di gas consente di effettuare una rapida verifica della presenza degli elementi aeriformi, ad esempio molecole organiche, fuoriusciti dalle celle, che in assenza di tale aspirazione evaporerebbero senza poter essere rilevate. In altre parole, il gruppo di verifica 1 descritto esegue il controllo della tenuta sfruttando la volatilit? dei gas/vapori da rilevare e forzandone il flusso cos? da generare una corrente di gas che raggiunge il sensore.
E? possibile, inoltre, mediante tale aspirazione generare un certo livello di vuoto nella porzione di spazio 3 che favorisce ulteriormente il rilevamento.
Il sensore 7 rileva se nella corrente di gas ricevuta sono presenti elementi aeriformi fuoriusciti da almeno una delle celle 2 e invia un corrispondente segnale ad un?unit? di elaborazione (non mostrata in figura) che nel caso genera un segnale di allarme. Pi? in particolare, il segnale di allarme ? generato quando viene superata una soglia definita a priori.
La figura 2 mostra una realizzazione alternativa del gruppo di verifica 1 che comprende una pluralit? di sensori. A differenza della realizzazione di figura 1 dove il sensore 7 ? posizionato nel condotto di aspirazione 6, tali sensori sono collocati all?interno della porzione di spazio 3 in cui si trovano le celle da controllare. Preferibilmente, i sensori sono disposti in una zona al di sopra delle celle 2 da controllare, ad esempio in corrispondenza di una parete dell?involucro 4 che isola la porzione di spazio 3 rispetto all?ambiente esterno, parete in prossimit? della quale fa capo il condotto di aspirazione 6. Secondo una realizzazione preferita la pluralit? di sensori 7 forma almeno una matrice di sensori 77.
Questa seconda realizzazione consente di discriminare con buona approssimazione la particolare zona della porzione di spazio 3 in cui si verifica la perdita, e quindi di identificare un numero ristretto di celle 2 che comprende quella o quelle difettose e che ? pertanto da considerare scarto.
La struttura del gruppo di verifica 1 descritta con riferimento alla linea di produzione e mostrata nelle figure 1 e 2 ? applicabile anche alla stazione di controllo descritta in precedenza.
Il sensore o i sensori impiegati nel gruppo di verifica sono del tipo PID (Photo Ionization Detection), ovvero sensori a fotoionizzazione che, come gi? accennato in precedenza, sono di per s? noti e impiegati generalmente per effettuare controlli del livello di inquinamento di ambienti aperti (es: discariche) o chiusi (luoghi di lavoro).
La figura 3 mostra in modo estremamente schematico la struttura e il funzionamento di un sensore a fotoionizzazione. In termini generali, il sensore a fotoionizzazione 20 comprende una sorgente di luce ultravioletta (UV) 21 per ionizzare, ovvero scindere in ioni positivi e ioni negativi, i gas/vapori, ad esempio composti organici quali VOC, presenti nell?aria.
gas/vaporila differenza di potenziale elettricoE? da notare che gli ioni non vengono alterati durante tale processo, al termine del quale si ricombinano per formare nuovamente il gas/vapore originario (come indicato in figura in modo molto schematico con una freccia curva).
Il sensore 21 comprende, oltre alla sorgente UV 21, un ingresso 22 attraverso il quale fluiscono gli elementi aeriformi (rappresentati in figura con una freccia dritta) e un condensatore composto da due elettrodi o armature, uno con carica positiva 23 e uno con carica negativa 24, responsabili della ionizzazione dei gas/vapori. In figura 3 l?elettrodo con carica positiva 23 ? connesso all?ingresso 22 mentre l?elettrodo con carica negativa 24 ? connesso alla sorgente UV 21. Il sensore 21 ? connesso ad una unit? di elaborazione e visualizzazione 25 che converte la carica misurata dal sensore 21 in un segnale indicativo della concentrazione dei gas/vapori.
I sensori a fotoionizzazione consentono di rilevare svariate tipologie di gas/vapori. Secondo una realizzazione preferita, ? possibile utilizzarli per il controllo di tenuta di batterie agli ioni di litio dove gli elementi aeriformi che fuoriescono dalla cella in caso di perdita sono costituiti da dimetilcarbonato.
L?uso di sensori a fotoionizzazione per il controllo di tenuta di celle di batterie consente non solo di effettuare un rilevamento in tempi rapidi e con un elevato livello di risoluzione ma consente anche una veloce reversibilit?, e di conseguenza un rapido tempo di reset. In tal modo sono possibili cicli di analisi estremamente rapidi.
Inoltre, rispetto ai tradizionali sistemi di controllo che impiegano strumenti pi? complessi e costosi, quali spettrometri di massa, l?uso di uno o pi? sensori a fotoionizzazione per il controllo di tenuta ? molto vantaggioso dal punto di vista economico ma anche dal punto di vista degli ingombri e della versatilit?. Infatti, come illustrato in precedenza ? possibile sia integrare questo tipo di sensori in stazioni di controllo esistenti sia creare in modo semplice postazioni di controllo lungo la linea di produzione o a se stanti. La modularit? di questi sensori consente inoltre di integrare tra loro pi? sensori per realizzare matrici di sensori da collocare nello spazio al variare delle esigenze di controllo.
L?invenzione riguarda anche un metodo per il controllo di tenuta di una cella 2 di una batteria, tale cella 2 essendo sigillata e comprendendo parti e/o sostanze necessarie per il suo funzionamento.
Il metodo prevede una fase di determinazione della presenza di perdite di grande entit? che comprende i passi di creare un campione di gas definendo e isolando una porzione di spazio 3 in cui si trova la cella 2, tale campione di gas comprendendo gas e/o vapori che fuoriescono dalla cella 2 in caso di perdita e che derivano dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella 2, attivare un?aspirazione che trasporti il campione di gas verso un sensore a fotoionizzazione 7,77, rilevare i gas e/o vapori mediante il sensore 7,77, e identificare la presenza di perdite confrontando valori corrispondenti ai gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati.
Se in questa prima fase non ? identificata la presenza di perdite di grande entit?, ? possibile implementare un?ulteriore fase del metodo secondo l?invenzione che prevede di determinare la presenza di perdite di entit? inferiore. Tale fase comprende i passi di posizionare la cella 2 in una camera da vuoto in modo tale che almeno una porzione della cella 2 si trovi in detta camera da vuoto; chiudere a tenuta la camera da vuoto, abbassare la pressione all?interno della camera da vuoto ad un livello inferiore rispetto alla pressione presente all?interno della cella 2 da controllare tale che i gas e/o vapori fuoriescano dalla cella in presenza di perdite, rilevare i gas e/o vapori mediante uno strumento di rilevamento e misurazione, e identificare la presenza di perdite confrontando valori corrispondenti ai gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI
1. Stazione per il controllo di tenuta di una cella (2) di una batteria, detta cella (2) essendo sigillata e comprendendo parti e/o sostanze necessarie per il suo funzionamento, la stazione comprendendo:
- un primo sistema (20) per determinare la presenza di perdite di grande entit?, detto prima sistema rilevando gas e/o vapori derivanti dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella (2) che fuoriescono dalla cella (2), e
- un secondo sistema per determinare la presenza di perdite di inferiore entit?, comprendente un?unit? di elaborazione, una camera da vuoto, una pompa a vuoto, uno strumento di rilevamento e misurazione, condotti per mettere in comunicazione tra di loro detta camera da vuoto, detta pompa a vuoto e detto strumento di rilevamento e misurazione, detto secondo sistema rilevando gas e/o vapori derivanti dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella (2) che fuoriescono dalla cella (2),
caratterizzato dal fatto che detto primo sistema comprende un sensore a fotoionizzazione (7,77).
2. Metodo per il controllo di tenuta di una cella (2) di una batteria, detta cella (2) essendo sigillata e comprendendo parti e/o sostanze necessarie per il suo funzionamento, il metodo comprendendo le seguenti fasi:
- determinare la presenza di perdita di grande entit?, detta fase comprendendo i passi di
- creare un campione di gas definendo e isolando una porzione di spazio (3) in cui si trova detta cella (2), detto campione di gas comprendendo gas e/o vapori che fuoriescono da detta cella (2) in caso di perdita e che derivano dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella (2),
- attivare un?aspirazione che trasporti detto campione di gas verso un sensore (7,77),
- rilevare detti gas e/o vapori mediante detto sensore (7,77); e
- identificare la presenza di perdite confrontando valori corrispondenti a detti gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati;
- determinare, se nella fase precedente non ? identificata la presenza di perdite di grande entit?, la presenza di perdita di entit? inferiore, detta fase comprendendo i passi di:
- posizionare detta cella (2) in una camera da vuoto in modo tale che almeno una porzione della cella (2) si trovi in detta camera da vuoto;
- chiudere a tenuta la camera da vuoto);
- abbassare la pressione all?interno della camera da vuoto ad un livello inferiore rispetto alla pressione presente all?interno di detta cella (2) da controllare tale che detti gas e/o vapori fuoriescano da detta cella (2) in presenza di perdite;
- rilevare detti gas e/o vapori mediante uno strumento di rilevamento e misurazione ; e
- identificare la presenza di perdite confrontando valori corrispondenti a detti gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati
caratterizzato dal fatto che il passo di rilevare detti gas e/o vapori nella fase di determinare la presenza di perdite di grande entit? ? effettuato per mezzo di un sensore a fotoionizzazione (7,77).
3. Sistema di controllo per rilevare perdite di grossa entit? in una cella (2) di una batteria, detta cella essendo sigillata e comprendendo parti e/o sostanze necessarie per il suo funzionamento, il sistema comprendendo:
- una porzione di spazio (3) in cui ? posizionata detta cella (2) e che circoscrive un campione di gas che comprende l?aria e i gas e/o vapori presenti in detta porzione di spazio (3), detti gas e/o vapori fuoriuscendo da detta cella (2) in caso di perdita e derivando dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella,
- un sistema di aspirazione (5) che aspira detto campione di gas,
- almeno un sensore a fotoionizzazione (7,77) che rileva detti gas e/o vapori presenti nel campione di gas,
- un?unit? di elaborazione connessa a detto almeno un sensore a fotoionizzazione (7,77) che determina l?entit? della perdita.
4. Sistema per rilevare perdite di grossa entit? secondo la rivendicazione 3, in cui il sistema comprende inoltre un condotto di aspirazione (6) e il sensore a fotoionizzazione (7) ? connesso al condotto di aspirazione (6), detto condotto di aspirazione (6) essendo atto a incanalare il campione di gas verso il sensore a fotoionizzazione (7).
5. Sistema per rilevare perdite di grossa entit? secondo la rivendicazione 4, in cui il sensore a fotoionizzazione (7) ? posizionato all?interno del condotto di aspirazione (6).
6. Sistema per rilevare perdite di grossa entit? secondo la rivendicazione 3, in cui il sensore a fotoionizzazione (7) ? posizionato all?interno della porzione di spazio (3).
7. Sistema per rilevare perdite di grossa entit? secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, comprendente una pluralit? di sensori a fotoionizzazione che formano una matrice di sensori (77).
8. Uso di un sensore a fotoionizzazione (7,77) per determinare la presenza di perdite di grande entit? in una cella (2) di una batteria, detta cella essendo sigillata e comprendendo parti e/o sostanze necessarie per il suo funzionamento, comprendente i passi di:
- creare un campione di gas definendo e isolando una porzione di spazio (3) in cui si trova detta cella (2), detto campione di gas comprendendo gas e/o vapori che fuoriescono da detta cella (2) in caso di perdita e che derivano dalle parti e/o dalle sostanze presenti all?interno della cella (2);
- attivare un?aspirazione che trasporti detto campione di gas verso il sensore a fotoionizzazione (7,77);,
- rilevare i gas e/o vapori mediante detto sensore a fotoionizzazione (7,77); e
- identificare la presenza di perdite di grande entit? confrontando valori corrispondenti a detti gas e/o vapori rilevati con valori di soglia predeterminati.
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