IT202000025087A1 - Metodo per la gestione di batterie per sistemi a propulsione elettrica - Google Patents
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Description
DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE IN ITALIA
TITOLO: METODO PER LA GESTIONE DI BATTERIE PER SISTEMI A PROPULSIONE ELETTRICA
DESCRIZIONE
Settore Tecnico dell?Invenzione
La presente invenzione ? relativa alla gestione di batterie, batteria singola ovvero un pacco batterie, per sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio autoveicoli a trazione elettrica. Nel corso della descrizione si far? riferimento per comodit? espositiva agli autoveicoli elettrici, ma si intende che l?invenzione ? applicabile a qualsiasi sistema che utilizzi una propulsione elettrica anche in modalit? parziale: ad esempio, veicoli terrestri, marini, aerei, industriali, veicoli ibridi, veicoli a conduzione da parte dell?uomo o a guida autonoma.
Tecnica Nota
Secondo tecnica nota e con riferimento alla figura 1, i sistemi a propulsione elettrica, ad esempio gli autoveicoli elettrici, utilizzano generalmente un pacco di batterie agli ioni di litio che ? formato dapprima assemblando un singolo modulo 20 costituito da celle 10 elementari, con interconnessione elettrica in serie e / o in parallelo; quindi, uno o pi? moduli sono installati in una struttura intelaiata della batteria 30, la cui forma ed il layout interno sono adattati alla carrozzeria dell?autoveicolo. Questo assemblaggio costituisce una singola batteria; infine, a bordo veicolo si installano una pluralit? di batterie che formano il pacco batterie 40. Quest?ultimo sar? provvisto anche di adeguato sistema di gestione termica (TMS) e di sistema di gestione della batteria (BMS) da un punto di vista elettrico/elettronico. Il sistema di gestione della batteria (BMS) ? una parte del sistema di gestione dell'energia, ad azione rapida, molto pi? complesso e deve interfacciarsi con altri sistemi di bordo come la gestione del motore, il controllo della climatizzazione, le comunicazioni e i sistemi di sicurezza.
Uno dei compiti principali del sistema di gestione della batteria ? garantire che le celle siano adeguatamente bilanciate. Se le celle sono sbilanciate all'inizio o alla fine di un ciclo di carica / scarica, entreranno in intervalli al di fuori della loro finestra di tensione operativa, il che degrader? rapidamente la cella e ridurr? la funzionalit? e le prestazioni del modulo nel suo complesso. Ci? pu? anche aumentare le probabilit? che la batteria si guasti. Per questo motivo, ? necessario che venga eseguito il monitoraggio della tensione delle singole celle e che esistano i circuiti e la logica appropriati a livello di modulo per mantenere le celle entro la loro finestra di tensione mentre vengono caricate e scaricate.
? altres? noto che le batterie agli ioni di litio usano un composto di litio sul catodo e grafite o titanato di litio sull'anodo. Queste batterie hanno un'alta densit? di energia, uno scarso effetto memoria e bassa auto-scarica.
Al tempo stesso, per?, possono tuttavia costituire un pericolo per la sicurezza, poich? contengono un elettrolita infiammabile e se danneggiate o caricate in modo errato possono provocare esplosioni e incendi.
Il motivo ? che le varie sostanze chimiche delle batterie al litio sono suscettibili di danni chimici (ad esempio, incrostazione del catodo, rottura molecolare, ecc.) dovuti a sovratensioni anche molto lievi (ad esempio, dell?ordine del millivolt) durante la carica o a livelli di corrente di carica di maggiori di quanto la chimica interna possa tollerare nei differenti cicli di carica / scarica. Inoltre, le celle agli ioni di litio hanno anche finestre di temperatura specificate e limiti massimi di corrente di carica e scarica.
Pertanto, il sistema di gestione della batteria calcola la corrente massima di carica e scarica che un modulo pu? sopportare e dispone di circuiti adeguati alla protezione da correnti superiori a questi limiti. Il sistema di gestione della batteria monitora anche la temperatura del modulo, mentre i sistemi di gestione della batteria pi? avanzati misurano la temperatura delle singole celle.
La disomogeneit? intrinseca e la variabilit? dei moduli di una batteria si riscontrano nei lotti di pacchi batteria commerciali con celle agli ioni di litio, a causa delle variazioni delle caratteristiche fisico-chimiche tra cella e cella, della progettazione dei connettori dei moduli e della gestione termica del sistema.
Tale disomogeneit? influenza l'impedenza e la capacit?, il comportamento di carica / scarica e il tasso di degrado della singola cella, e quindi le prestazioni, l'affidabilit? e la durata del pacco batterie, con impatti negativi su operativit?, manutenzione e costi dei veicoli elettrici.
Poich? lo scopo di un sistema di gestione della batteria (BMS) ? di ottimizzare le prestazioni del pacco batterie, massimizzando l'utilizzo della capacit? di accumulo di energia, riducendo al minimo il processo di ricarica ed estendendo la vita operativa, con la tecnologia odierna un corretto funzionamento del BMS pu? avvenire solo a fronte di un intervallo molto ristretto di disomogeneit? tra le celle agli ioni di litio e una deviazione molto limitata dei prodotti dalle specifiche nominali del pacco batterie: tolleranze dei materiali molto strette e processi di produzione sofisticati sono gli approcci industriali chiave oggi, con un significativo impatto sul costo finale del prodotto.
? pertanto necessario definire un metodo per la gestione di una batteria per sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio autoveicoli a trazione elettrica, che non richieda il controllo ristretto delle tolleranze del pacco batterie e/o dei singoli moduli.
Sintesi dell?Invenzione
Per risolvere in modo sostanziale i problemi tecnici di sopra evidenziati, la presente invenzione definisce un metodo per la gestione di una batteria per sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio autoveicoli a trazione elettrica, che si avvale di:
- un sistema di gestione della batteria ?smart? provvisto di un modello fisico del pacco batterie e di opportune strategie di controllo, - uno o pi? "database di ingegneria", corrispondenti al campione specifico del pacco batterie installato sul veicolo che, in particolare riportano le deviazioni da cella a cella rispetto ai valori nominali. Il ?database ingegneristico? comprende un codice alfanumerico leggibile dal BMS all'accensione di qualsiasi veicolo, che sintetizza la disuniformit? elettrochimica cella-cella, la disuniformit? termica cella-cella nonch? quella dovuta alla tipologia e al layout del sistema di gestione termico che si riscontra a livello di pacco batterie e, inoltre, la deviazione elettrica dei connettori tra i diversi moduli dal valore nominale di riferimento.
Il metodo secondo la presente invenzione comprender? le fasi di misura delle deviazioni delle caratteristiche dal valore nominale delle singole celle agli ioni di litio, dei moduli e dell?intero pacco batterie, di trasferimento del set di dati tecnici ricavato alla batteria (o al pacco batterie), di decodifica del set di dati tecnici e di fornitura del medesimo al sistema di gestione di batterie. Infine, il metodo comprende la fase di utilizzo da parte del sistema di gestione di batterie di tale set di dati tecnici per compensare le variazioni tra le diverse celle e/o tra i diversi moduli della batteria, in modo da ridurre la deviazione delle caratteristiche dal valore nominale delle diverse celle, lo scostamento dal valore nominale di collegamenti elettrici interni ai moduli e la disomogeneit? termica delle celle e del pacco batterie.
Pertanto, secondo la presente invenzione viene fornito un metodo per la gestione di batterie che alimentano sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio autoveicoli a trazione elettrica, avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente, allegata alla presente descrizione.
Ulteriori forme di attuazione dell'invenzione, preferite e/o particolarmente vantaggiose, sono descritte secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti allegate.
Breve Descrizione dei Disegni
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 ? una raffigurazione schematica dell?assemblaggio di un pacco batterie adibite all?alimentazione di autoveicoli a trazione elettrica.
Descrizione Dettagliata
A titolo puramente esemplificativo e non limitativo, la presente invenzione verr? ora descritta secondo un esempio preferito di attuazione. Per poter meglio descrivere il metodo proposto ? opportuno richiamare alcuni parametri importanti di una batteria e in particolare di una batteria con celle agli ioni di litio.
Per stato di carica della batteria (SOC) si intende la sua capacit? attuale, cio? quella relativa all'ultimo ciclo di carica-scarica.
Lo stato di salute della batteria (SOH) ? una "misura" che riflette le condizioni generali di una batteria e la sua capacit? di fornire le prestazioni specificate rispetto a una batteria nuova; infatti, durante la vita di una batteria, le sue prestazioni tendono a deteriorarsi gradualmente a causa di cambiamenti fisici e chimici irreversibili che avvengono con l'uso e con l'et? fino a quando la batteria non ? pi? utilizzabile.
Stato di carica e stato di salute delle batterie a ioni di litio sono influenzati da diversi fattori, ad esempio:
? materiali delle celle: lo spessore dell'elettrodo, la superficie specifica del materiale poroso dell'elettrodo, la conduttivit? ionica e il coefficiente di diffusione dell'elettrolita,
? design del modulo e del pacco batterie, in particolare per quanto attiene alla scelta dei connettori delle celle assemblate e alla gestione termica del sistema,
? capacit? utilizzabile: la capacit? utilizzabile di una cella varia notevolmente con la temperatura, le velocit? di carica-scarica e l'et? della cella,
? velocit? di carica-scarica: le azioni elettrochimiche nella cella richiedono un tempo predefinito per essere completate e non possono seguire istantaneamente lo stimolo elettrico o il carico posto sulla cella. Se una cella ? soggetta a impulsi di carica e scarica a breve termine, l'effetto chimico di un impulso di carica potrebbe non essere completamente completato prima che il successivo impulso di scarica inizi a invertire il processo,
? isteresi: a parit? di stato di carica, la tensione a circuito aperto (OCV) a seguito di una carica ? maggiore della tensione a circuito aperto a seguito di scarica,
? temperatura e velocit? di scarica: alle normali temperature di lavoro, l'efficienza coulombica (e cio? il rapporto fra la capacit? di scarica e la capacit? di carica per ogni ciclo della cella) ? molto alta, ma a basse temperature si verifica un notevole calo di efficienza, in particolare a velocit? di scarica elevate,
? autoscarica: si deve tenere conto dell'effetto a lungo termine dell'autoscarica che consuma l'energia disponibile nella cella,
? invecchiamento della cella: l'invecchiamento influisce sulla capacit? della cella. Per tenere conto di ci?, le formule per il calcolo della capacit? rimanente devono essere in grado di cambiare dinamicamente nel tempo per rimanere accurate.
Secondo un aspetto della presente invenzione, il metodo di gestione di batterie che alimentano sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio autoveicoli a trazione elettrica, comprende le seguenti fasi:
- si misurano a fine linea di produzione i parametri fisico-chimici delle singole celle 10 agli ioni di litio. Le singole celle 10 vengono poi assemblate in modulo 20 che comprender? una pluralit? di celle 10 tra loro interconnesse in serie e / o in parallelo. Si proceder?, quindi, anche alla misura dei parametri elettrici delle interconnessioni. In seguito, uno o pi? moduli vengono installati in una struttura intelaiata della batteria 30 adattata alla carrozzeria dell?autoveicolo. A bordo veicolo si potranno installare una o pi? di queste batterie 30. Nel caso di pi? batterie 30, ci si riferisce a un pacco batterie 40. Ad ogni modo, che si tratti di una singola batteria o di pi? batterie, le misure effettuate andranno a costituire un set di dati tecnici relativi che corrisponder? alla batteria 30 o al pacco batterie 40,
- questo set di dati tecnici viene quindi trasferito a mezzo di opportuna codifica, sulla batteria 30,
- una volta installata la batteria 30 (o il pacco batterie 40) a bordo veicolo, il set di dati tecnici ? opportunamente decodificato,
- quindi il set di dati tecnici decodificati ? fornito al sistema di gestione della batteria (BMS);
- infine, utilizzando il set di dati tecnici, un opportuno algoritmo implementato nel sistema di gestione della batteria (BMS) provvede a compensare le variazioni di dati tecnici tra le diverse celle 10 e/o tra i diversi moduli 20 della batteria 30 (o del pacco batterie 40) in modo da ridurre la variabilit? delle caratteristiche delle diverse celle 10 e/o dei diversi moduli 20.
Vantaggiosamente, il set dei dati tecnici si presenta nella forma di un insieme di dati alfanumerici che potranno essere condensati in un codice a barre a sviluppo lineare o un codice a simbologia bidimensionale o altra opportuna codifica.
L?insieme di dati alfanumerici potr? essere trasferito sulla batteria 30, utilizzando qualsivoglia metodologia, ad esempio imprimendo la codifica su di un?apposita targhetta per marcatura laser. In alternativa, o in modo complementare l?insieme di dati alfanumerici potr? anche essere memorizzato nell'elettronica del pacco batterie 40. Ancora, l?insieme di dati alfanumerici potrebbe anche essere memorizzato nella centralina di identificazione e diagnosi, gi? esistente sul pacco batterie, e letto automaticamente dal sistema di gestione della batteria (BMS) all?istante della connessione.
Anche la fase di decodifica potr? essere effettuata utilizzando metodologie note. Preferibilmente potr? essere utilizzato uno scanner per leggere il set di dati tecnici. In alternativa, come gi? esposto, se l?insieme di dati alfanumerici fosse memorizzato nella centralina di identificazione e diagnosi del pacco batterie, sarebbe automaticamente letto dal sistema di gestione della batteria (BMS) all?istante della connessione.
Pi? in particolare, l?algoritmo implementato nel sistema di gestione della batteria (BMS) ? in grado di stimare il valore ?iniziale? di fabbrica (test di fine linea), i cui valori verranno poi modificati in esercizio, in base allo SOH, mediante l?algoritmo di autoapprendimento adattativo. I risultati elaborati dal metodo possono essere inviati ai display del veicolo anche utilizzando il ?CAN-bus?, ovvero il ?Controller Area Network?, standard seriale per bus utilizzato per collegare diverse unit? di controllo elettronico.
L?algoritmo ? utilizzato per registrare la cronologia passata a fini di manutenzione o per prevedere il chilometraggio del veicolo: l'autonomia rimanente, in base a modelli di guida o di utilizzo recenti, viene calcolata in base allo stato di carica corrente, corretto dallo stato di salute corrente e dall'energia consumata.
Come gi? detto, i dati di ingresso per l?algoritmo del BMS comprendono un insieme di dati alfanumerici, ad esempio una stringa alfanumerica, che caratterizzano ogni esemplare di pacco batterie 40 completo (o della singola batteria 30, se del caso) e i suoi singoli moduli 20.
La stringa alfanumerica contiene almeno i seguenti parametri:
- deviazione delle caratteristiche delle singole celle 10 dal valore nominale. Per esempio, la risposta di impedenza standard in corrente alternata, che potrebbe essere disponibile dal test di screening convenzionale, eseguito dal produttore della cella per accertare i requisiti di qualit? per i vari componenti;
- collegamenti elettrici interni ai moduli 20 e al pacco batterie 40, caratterizzandone lo scostamento dal valore nominale. Ad esempio, la resistenza ohmica che potrebbe essere disponibile da un convenzionale test di fine linea, eseguito dal produttore del pacco batterie per accertare i requisiti di qualit? del pacco batterie;
- disomogeneit? termica delle celle all'interno del pacco batterie 40. Ad esempio, la temperatura della singola cella 10 in condizioni specificate, che potrebbe essere disponibile da un ulteriore test di fine linea, e correlata ai circuiti di gestione termica e alla posizione delle singole celle 10 all'interno del layout del pacco batterie 40.
? sufficiente, infine, che l?algoritmo di controllo del sistema di gestione della batteria (BMS) sia in grado di leggere il set di dati tecnici della batteria 30 o del pacco batterie 40.
I vantaggi che la proposta metodologia presenta sono diversi e concorrono tutti a migliorare la gestione degli autoveicoli a trazione elettrica. Infatti, sar? possibile una stima pi? affidabile dell?autonomia dell?autoveicolo, grazie a una migliore determinazione delle caratteristiche configurazionali e strutturali delle singole celle, nonch? la loro deviazione ?a nuovo? rispetto ai valori nominali di riferimento, per cui il sistema di gestione della batteria (BMS) pu? procedere in modo pi? rapido, pi? efficace e pi? efficiente, nel definire stato di carica, stato di salute etc. in esercizio nel corso della vita del pacco batterie; una maggiore durata della batteria 30 o del pacco batterie 40, grazie al controllo mirato della carica / scarica delle singole celle 10; un minor consumo energetico a causa dell'eliminazione del livellamento delle celle; una garanzia di limp-home pi? robusta a causa della possibilit? di individuare e by-passare le celle pi? deboli, ma non un modulo completo.
Infine, grazie alla presente metodologia, sar? possibile per il sistema di gestione della batteria (BMS) accettare intervalli di deviazione dai valori nominali molto pi? ampi di quanto non si faccia ora e/o la selezione delle celle in classi. L'invenzione proposta dovrebbe ridurre definitivamente il costo di produzione del pacco batterie agli ioni di litio per autoveicoli e consentire anche un miglioramento dell'ottimizzazione dell'utilizzo della batteria.
Oltre alla forma di realizzazione dell'invenzione, come sopra descritta, si deve comprendere che esistono numerose altre varianti. Si deve anche comprendere che tali forme di realizzazione sono solo esemplificative e non limitano n? l'ambito dell'invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue possibili configurazioni. Al contrario, sebbene la descrizione di cui sopra consenta al tecnico specializzato di attuare la presente invenzione almeno secondo una sua forma di realizzazione esemplificativa, si deve comprendere che sono possibili molte varianti dei componenti descritti, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate, che sono interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.
Claims (10)
1. Metodo per la gestione di almeno una batteria (30) comprendente almeno un modulo (20) provvisto di una pluralit? di celle (10) agli ioni di litio per l?alimentazione di sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, il metodo comprendendo le fasi di:
- misurare la deviazione dal valore nominale di caratteristiche di una singola cella (10), lo scostamento dal valore nominale di parametri legati a collegamenti elettrici interni ai moduli (20) e all?almeno una batteria (30) e la disomogeneit? termica delle celle (10) e dell?almeno una batteria (30) per generare un set di dati tecnici relativi all?almeno una batteria (30), - trasferire il set di dati tecnici all?almeno una batteria (30),
- decodificare il set di dati tecnici,
- fornire il set di dati tecnici decodificati a un sistema di gestione di batterie (BMS);
- operare il sistema di gestione di batterie (BMS) per compensare le variazioni di dati tecnici tra le diverse celle (10) e/o tra i diversi moduli (20) dell?almeno una batteria (30), in modo da ridurre la deviazione delle caratteristiche dal valore nominale delle diverse celle (10), lo scostamento dal valore nominale di collegamenti elettrici interni ai moduli (20) e all?almeno una batteria (30) e la disomogeneit? termica delle celle (10) e dell?intera batteria (30).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, laddove la fase di trasferire il set dei dati tecnici all?almeno una batteria (30) comprende inoltre la fase di conformare il set dei dati tecnici come un insieme di dati alfanumerici.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui l?insieme di dati alfanumerici ? condensato in un codice a barre a sviluppo lineare.
4. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui l?insieme di dati alfanumerici ? condensato in un codice a simbologia bidimensionale.
5. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui l?insieme di dati alfanumerici ? memorizzato nell'elettronica dell?almeno una batteria (30).
6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui una caratteristica delle singole celle (10) ? la risposta di impedenza standard in corrente alternata.
7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui un parametro legato a collegamenti elettrici interni ai moduli (20) e all?almeno una batteria (30) e all?almeno una batteria (30) ? la resistenza ohmica.
8. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la disomogeneit? termica delle celle (10) ? definita misurando la temperatura della singola cella (10) in condizioni predeterminate.
9. Pacco batteria (40) per l?alimentazione di sistemi a propulsione elettrica o parzialmente elettrica, ad esempio comprendente almeno una batteria (30), la batteria (30) essendo caratterizzata dal fatto di essere provvista di un set di dati tecnici secondo la rivendicazione 1, conformati come un insieme di dati alfanumerici.
10. Sistema di gestione di batterie (BMS) configurato per utilizzare un set di dati tecnici secondo la rivendicazione 1 al fine di compensare le variazioni di dati tecnici tra le diverse celle (10) e/o tra i diversi moduli (20) di almeno una batteria (30).
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| EP2846395A2 (en) * | 2013-09-09 | 2015-03-11 | Samsung SDI Co., Ltd. | Battery pack, apparatus including battery pack, and method of managing battery pack |
| US10471847B1 (en) * | 2018-12-14 | 2019-11-12 | Sf Motors, Inc. | Multi-particle reduced order Li-ion battery controller |
-
2020
- 2020-10-22 IT IT102020000025087A patent/IT202000025087A1/it unknown
Patent Citations (2)
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