IT202000026593A1

IT202000026593A1 - Metodo di assemblaggio celle, unita' di accumulo e relativo pacco batteria veicolare

Info

Publication number: IT202000026593A1
Application number: IT102020000026593A
Authority: IT
Inventors: Luca Poggio
Original assignee: Ferrari Spa
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-05-06
Also published as: US20220149486A1; JP2022075652A; CN114447526A; EP3996181A1

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?METODO DI ASSEMBLAGGIO CELLE, UNITA' DI ACCUMULO E RELATIVO PACCO BATTERIA VEICOLARE?

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi di immagazzinamento dell?energia in ambito automobilistico ed in particolare ? relativa ad un metodo di assemblaggio celle, ad una unit? di accumulo di energia elettrica e ad un relativo pacco batteria veicolare.

ARTE ANTERIORE

Le batterie al litio in relazione alla loro alta densit? consentono sempre pi? l?implementazione dell?elettrico in ambito automobilistico. I polimeri di litio, in particolare, rappresentano attualmente, dal punto di vista chimico, lo stato dell?arte nella produzione di batterie ad alta capacit?.

Sono note soluzioni che prevedono l?interconnessione in serie e in parallelo di diverse celle (generalmente, ciascuna da 3,7 V) per raggiungere la tensione e la densit? energetica totali desiderate per un pacco batteria veicolare.

I moduli batteria usualmente disponibili sul mercato per alimentare smartphone e tablet (e sempre pi? diffusi in anche in ambito automobilistico), constano in batterie imbustate-planari (planar pouch), che hanno uno spessore molto limitato rispetto alle altre dimensioni. Si individuano due facce opposte molto ampie (attraverso cui il calore viene dissipato quasi integralmente) e quattro lati sottili e allungati, in cui su uno oppure su due lati opposti sono disposti i terminali positivo e negativo della cella.

Generalmente i suddetti terminali servono per collegare elettricamente in serie o in parallelo tra loro le diverse celle. In particolare, ciascuna cella ? costituita da una pluralit? di piastre elettrodo impilate con polarit? alternate (positiva e negativa). Ciascuna di queste piastre elettrodo comprende una linguetta (tab) estendentesi dal resto della piastra elettrodo e configurata per essere, tramite una prima saldatura, collegata elettricamente alle altre linguette della stessa cella estendentesi da piastre con la stessa polarit? e, successivamente, tramite una seconda saldatura, per essere collegata al terminale (rispettivamente positivo o negativo) della cella, generalmente costituito da una piastra metallica maggiormente spessa e rigida rispetto alle linguette elettrodo.

Tuttavia, le suddette saldature sono generalmente effettuate tramite dei dispositivi laser (molto lenti per saldare spessori elevati), o a ultrasuoni (soggetti a forte usura, in particolare il sonotrodo va sostituito spesso e il dispositivo laser regolato ad ogni sostituzione).

Inoltre, i pacchi batteria ottenuti tramite il suddetto metodo produttivo risultano ancora essere particolarmente costosi ed ingombranti.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione, tra gli altri, ? quello di fornire un metodo di assemblaggio celle, un?unit? di accumulo di energia elettrica ed un relativo pacco batteria veicolare che siano almeno parzialmente esenti dagli inconvenienti sopra descritti e, nello stesso tempo, siano di semplice ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un metodo di assemblaggio celle, un?unit? di accumulo di energia elettrica ed un relativo pacco batteria veicolare secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi; in particolare:

- la figura 1 ? una vista schematica in sezione trasversale di una porzione di un?unit? di accumulo di energia elettrica comprendente due celle elettricamente interconnesse in serie secondo l?arte nota;

- la figura 2 ? una vista schematica in sezione trasversale di una porzione di un?unit? di accumulo di energia elettrica comprendente due celle elettricamente interconnesse in serie secondo la presente invenzione;

- la figura 3 ? una vista schematica e prospettica di una prima forma di attuazione della presente invenzione;

- la figura 4 ? una vista schematica e prospettica di una seconda forma di attuazione in accordo con la presente invenzione; e

- la figura 5 ? una vista prospettica e schematica di un pacco batteria veicolare comprendente le unit? di accumulo della figura 3.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE

Nella figura 1, con U ? indicata una generica unit? di accumulo di energia elettrica appartenente all?arte nota e comprendente almeno due celle C planari, ciascuna chiusa all?interno di una rispettiva busta P (pouch), ciascuna delle quali comprende a sua volta una pluralit? di piastre elettrodo E+ positive ed E- negative tra loro impilate alternate e intervallate da uno strato di separatore (anch?esso di tipo noto e quindi non illustrato). Ciascuna piastra elettrodo E+, E- comprende una rispettiva linguetta T elettrodo (disposte, in questo caso, da lati opposti della cella C, ovvero quelle illustrate nella figura 1 sono tutte linguette elettrodo T aventi la stessa polarit?, positiva o negativa), la quale si estenda da un corpo B principale della cella C (definito appunto dalla pila di elettrodi e sparatori).

In ciascuna delle celle C illustrate nella figura 1, le linguette T elettrodo sono tra loro inizialmente saldate tramite una saldatura W? formando un fascio di linguette.

Tale fascio di linguette viene poi ulteriormente saldato tramite una saldatura W?? ad un terminale TR elettrico della cella, avente uno spessore nettamente maggiore rispetto ciascuna linguetta T.

Le celle C sono quindi connesse in serie contattando i rispettivi terminali TR aventi una stessa polarit?. Come evidente dalla figura 1, la distanza tra i corpi B principali delle due celle connesse in serie corrisponde ad una distanza L?, generalmente nell?ordine dei centimetri, in particolare maggiore a 3 cm.

Nella figura 2, con 1 ? indicato nel suo complesso una unit? di accumulo di energia elettrica installabile in un pacco batteria veicolare (per la mobilit? del veicolo) in accordo con un primo aspetto della presente invenzione.

L?unit? 1 di accumulo di energia elettrica comprende almeno due celle C planari connesse tra loro in serie.

Ciascuna cella C comprende una pluralit? di elettrodi 3 e 4 (rispettivamente, ad esempio, negativi e positivi). A loro volta, ciascun elettrodo comprende una rispettiva linguetta 6 terminale, la quale si estende sporgendo da un corpo 8 principale della cella 2.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, le linguette 6 terminali sono realizzate di pezzo con, ovvero ricavate da, gli elettrodi positivi e/o negativi. In particolare, la ciascuna linguetta 6 terminale ? realizzata di pezzo con (ricavata dal) un collettore di corrente (current collector ? solitamente rivestito di materiali attivi) dell?elettrodo positivo o negativo. Pi? in particolare, il collettore di corrente e la linguetta terminale estendentesi da esso sono in rame per l?anodo ed in alluminio o zinco per il catodo.

In particolare, ciascuna cella 2 planare ha una forma a parallelepipedo con uno spessore molto limitato rispetto alle altre dimensioni. Si individuano quindi sei facce a due a due corrispondenti, di cui, come illustrato nelle non limitative forme di attuazione delle figure 3 e 4, due facce S? planari molto ampie, due facce S?? frontali sottili e allungate e due facce S??? laterali sottili e allungate (meno rispetto alle facce frontali S??).

Vantaggiosamente, gli elettrodi 3 e 4 sono tra loro impilati in modo tale che le linguette 6 con una stessa polarit? (positiva o negativa ? e quindi dello stesso materiale) siano tra loro allineate (verticalmente). In particolare, le celle 2 planari sono tra loro disposte in modo che le linguette 6 aventi la stessa polarit? (positiva o negativa ? e quindi dello stesso materiale) di ciascuna cella 2 planare si trovino almeno parzialmente affacciate. In altre parole, le facce S??? (come nella non limitativa forma di attuazione della figura 3) o le facce S?? (come nella non limitativa forma di attuazione della figura 4) di due celle adiacenti sono tra loro affacciate (e parallele).

Vantaggiosamente, e come illustrato nelle non limitative forme di attuazione delle figure da 2 a 5, le celle 2 planari sono disposte in modo che le linguette 6 aventi la stessa polarit? di due celle adiacenti, connesse in serie, si trovino almeno parzialmente sovrapposte in corrispondenza una zona 7 di sovrapposizione. Pi? precisamente, la zona 7 di sovrapposizione fra le linguette 6 di due celle 2 adiacenti si trova rispetto a ciascuna cella 2, in una posizione distale di ciascuna linguetta 6, rispetto al corpo 8 principale della rispettiva cella 2.

In particolare, in corrispondenza di detta zona 7 di sovrapposizione, almeno una linguetta 6 terminale, appartenente ad una cella 2 planare, ed una linguetta 6 terminale, appartenente ad alla cella 2 planare adiacente, sono tra loro direttamente saldate, in particolare tramite una saldatura preferibilmente a caldo, in modo da connettere in serie le due celle 2 planari. Le linguette 6 sovrapposte nella zona 7 avendo, chiaramente, la stessa polarit?.

In alcuni casi non limitativi, la saldatura ? una saldatura laser, in particolare lineare (lungo una direzione parallela alla faccia S??, S??? da cui si aggettano le linguette 6 terminali da saldare) o a punti.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, come illustrato nella non limitativa forma di attuazione della figura 2, la distanza tra i corpi 8 principali delle due celle 2 connesse in serie corrisponde ad una distanza L??, inferiore alla distanza L?, preferibilmente nell?ordine dei millimetri, in particolare inferiore a 25 mm, pi? precisamente inferiore a 10 mm.

Secondo alcune forme di attuazione non limitative, due o pi? (ad esempio tre o quattro) linguette allineate consecutive aventi una stessa polarit? e appartenenti ad una cella 2 planare sono saldate tra loro prima di essere saldate con le linguette 6 aventi la stessa polarit? della cella 2 planare adiacente.

Secondo la non limitativa forma di attuazione delle figure 3 e 5, le linguette 6 terminali aventi polarit? diverse (opposte) di una stessa cella 2 planare sporgono da lati opposti della cella 2 planare, in particolare dalle facce S??? di ciascuna cella. In questo caso, le celle 2 planari connesse in serie giacciono su uno stesso piano e su uno stesso asse longitudinale di simmetria.

Nella non limitativa forma di attuazione della figura 4, le linguette 6 terminali aventi polarit? diverse (opposte) di una stessa cella 2 planare sporgono da uno stesso lato della cella 2 planare, in particolare da una delle facce S?? di ciascuna cella 2. In questi casi, e celle 2 planari connesse in serie giacciono sullo stesso piano, ma non su uno stesso asse longitudinale di simmetria. In particolare, sono tra loro disposte sfalsate lungo entrambe le direzioni appartenenti al piano su cui giacciono. Pi? in particolare, le celle 2 sono tra loro uguali e, lungo una direzione longitudinale dell?unit? 1 di accumulo, sono sfalsate della met? della loro lunghezza. In tal modo ? possibile organizzare l?unit? 1 con le celle disposte a serpentina come illustrato nella figura 4. In tal modo, inoltre, tutti i contatti in serie si trovano consecutivamente su una stessa retta ed ? possibile, pertanto, semplificare la struttura di una struttura di sicurezza che rileva continuamente il voltaggio di ciascuna cella.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, l?unit? 1 di accumulo comprende una singola busta 5 esterna, all?interno della quale sono alloggiate almeno una coppia di celle 2.

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, viene fornito un pacco 10 batteria veicolare comprendente almeno una unit? 1 secondo quanto precedentemente descritto.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il pacco 10 batteria comprende una pluralit? di livelli (strati) di unit? 1 come illustrato nella non limitativa forma di attuazione della figura 5.

In alcuni casi non limitativi, come quello illustrato nello strato superiore della figura 5, l?unit? 1 occupa un intero livello del pacco batteria e comprende anche pi? di due celle collegate in serie secondo quanto descritto. In tal modo i vantaggi della presente invenzione sono massimi.

In altri casi non limitativi, come quello illustrato nel secondo strato (partendo dall?alto) un livello comprende una pluralit? di unit? 1 interconnesse tra loro, in serie, secondo tecniche note. In tal modo i vantaggi della presente invenzione sono parziali, ma comunque apprezzabili.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il pacco 10 batteria comprende anche un sistema SS di sicurezza ed una Battery Management Unit (BMU), in particolare disposti, tra loro, da lati opposti del pacco 10 batteria.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il pacco 10 batteria comprende anche un sistema CS di refrigerazione, in particolare disposto su una parete del pacco 10 batteria perpendicolare ai livelli di unit? 1 di accumulo di energia (e su una parete diversa da quelle occupate dal sistema SS e dalla BMU).

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione, viene fornito un metodo per l?assemblaggio di celle 2 planari installabili in un pacco batteria veicolare. In particolare, il metodo ? volto a realizzare le unit? 1 di accumulo di energia elettrica.

Vantaggiosamente, il metodo comprende una fase di impilare, con polarit? alternata in modo da generare la cella 2 planare, una pluralit? di elettrodi 3 e 4, ciascuno dei quali comprende una rispettiva linguetta 6 terminale estendentesi da un corpo 8 principale della cella2. In particolare, gli elettrodi 3 e 4 vengono impilati in modo tale che le linguette 6 aventi la stessa polarit? siano tra loro allineate (verticalmente).

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il metodo comprende anche una fase di disporre almeno due celle 2 planari in modo tale che le linguette 6 aventi la stessa polarit? delle due celle 2 planari si trovino almeno parzialmente affacciate e almeno parzialmente sovrapposte in corrispondenza una zona 7 di sovrapposizione, disposta in una posizione distale, rispetto al corpo 8 principale, di ciascuna linguetta 6.

In particolare, il metodo prevede l?ulteriore fase di saldare tra loro, direttamente, almeno una linguetta 6 terminale appartenente ad una cella 2 planare ed una linguetta 6 terminale appartenente alla cella 2 planare adiacente a cui ? connessa in serie. In dettaglio, la saldatura avviene in corrispondenza di detta zona 7 di sovrapposizione.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il metodo comprende inoltre una fase di presaldare tra loro una o pi? linguette 6 terminali aventi la stessa polarit? ed appartenenti alla stessa cella 6 planare.

In alcuni casi non limitativi, le linguette 6 terminali aventi la stessa polarit? di una cella 2 planare sono saldate singolarmente o a coppie con delle rispettive linguette 6 terminali aventi la stessa polarit? della cella 2 adiacente connessa in serie.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, il metodo comprende l?ulteriore fase di imbustare almeno la prima cella e la seconda cella all?interno di una stessa busta 5.

In alcuni casi non limitativi, la fase di saldare ? effettuata tramite un dispositivo saldante provvisto di una pluralit? di rebbi, tanti quante sono le saldature tra linguette di celle diverse da effettuare.

In altri casi non limitativi, la fase di saldare ? effettuata tramite un dispositivo saldante laser.

Vantaggiosamente ma non necessariamente, pertanto, l?unit? 1 di accumulo di energia elettrica non comprende terminali metallici intermedi (ad esempio il terminale TR) tra le linguette 6 di due celle 2 adiacenti collegate in serie.

In particolare, quindi, nel metodo di assemblaggio non vengono utilizzati terminali metallici intermedi tra le linguette 6 di due celle 2 adiacenti collegate in serie.

Bench? l?invenzione sopra descritta faccia particolare riferimento ad un esempio di attuazione ben preciso, essa non ? da ritenersi limitata a tale esempio di attuazione, rientrando nel suo ambito tutte quelle varianti, modifiche o semplificazioni coperte dalle rivendicazioni allegate, quali ad esempio un diverso tipo di disposizione, un diverso tipo materiali, una diversa configurazione geometrica, ecc.

Il metodo, l?unit? e l?apparato sopra descritti presentano numerosi vantaggi.

In primo luogo, la presente invenzione consente di ottimizzare l?uso dello spazio all?interno di un pacco batteria. In particolare, come evidenziato dalla differenza fra la lunghezza L? e la lunghezza L??, lo spazio vuoto generalmente presente tra due celle connesse in serie pu? di conseguenza essere riempito da materiale attivo o pu? essere utilizzato per ridurre il volume generale del pacco batteria (data la presenza di centinaia di celle, l?utilizzo ottimizzato di tale spazio produce un effetto considerevole).

Inoltre, la presente invenzione permette di evitare la lentezza della doppia saldatura laser e gli elevati costi di installazione e manutenzione della doppia saldatura ad ultrasuoni, consentendo di risparmiare tempo e sprechi.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione risiede nel fatto che la presente struttura permette di ridurre o semplificare il numero di controlli necessari all?interno del pacco batteria.

Infine, il metodo, l?unit? ed il pacco batteria sopra descritti consentono di limitare le probabilit? di scarto durante la produzione di un pacco batteria in quanto il numero generale di saldature da effettuare nella produzione di un pacco batteria risulta quasi dimezzato, e pertanto anche il relativo coefficiente di errore.

ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE

1 unit? di accumulo

2 cella

3 elettrodo

4 elettrodo

5 busta

6 linguetta

7 saldatura

8 corpo cella

10 pacco batteria

U unit? di accumulo

C cella

E+ elettrodo

E- elettrodo

P busta

T linguetta

W' saldatura

W'' saldatura

L' distanza cella-cella L'' distanza cella-cella B corpo cella

TR terminale

S' superficie

S'' superficie

S''' superficie

BMU battery management unit SS safety

CS sistema raffreddamento

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I

1) Metodo di assemblaggio celle installabili in un pacco (10) batteria veicolare; il metodo comprendendo le fasi di:

impilare, con polarit? alternata in modo da generare una cella (2) planare, una pluralit? di elettrodi (3, 4), ciascuno dei quali comprende una rispettiva linguetta (6) terminale estendentesi da un corpo (8) principale di detta cella (2); gli elettrodi (3, 4) essendo impilati in modo tale che le linguette (6) con una stessa polarit? siano tra loro allineate;

disporre una prima cella (2) planare ed una seconda cella (2) planare in modo tale che le linguette (6) aventi la stessa polarit? della prima cella (2) planare e della seconda cella (2) planare si trovino almeno parzialmente affacciate e almeno parzialmente sovrapposte in corrispondenza una zona (7) di sovrapposizione distale, rispetto al corpo (8) principale, di ciascuna linguetta (6);

saldare tra loro, direttamente, almeno una linguetta (6) terminale appartenente alla prima cella (2) planare ed una linguetta (6) terminale appartenente alla seconda cella (2) planare in corrispondenza di detta zona (7) di sovrapposizione.

2) Metodo secondo la rivendicazione 1, e comprendente una fase di presaldare tra loro una o pi? linguette (6) terminali aventi la stessa polarit? ed appartenenti alla stessa prima o seconda cella (2).

3) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le linguette (6) terminali aventi la stessa polarit? della prima cella (2) sono saldate singolarmente o a coppie con delle rispettive linguette (6) terminali aventi la stessa polarit? della seconda cella (2).

4) Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, e comprendente l?ulteriore fase di imbustare almeno la prima cella (2) e la seconda cella (2) all?interno della stessa busta (5) o involucro.

5) Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la fase di saldare ? effettuata tramite un dispositivo saldante provvisto di una pluralit? di rebbi, tanti quante sono le saldature tra linguette (6) di celle diverse da effettuare.

6) Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui non vengono utilizzati terminali metallici intermedi tra le linguette (6) appartenenti alla prima cella (2) planare e le linguette (6) appartenenti alla seconda cella (2) planare.

7) Unit? (1) di accumulo di energia elettrica installabile in un pacco (10) batteria veicolare; l?unit? (1) comprendendo almeno una prima cella (2) planare ed una seconda cella (2) planare comprendenti, ciascuna, una pluralit? di elettrodi (3, 4), ciascuno dei quali comprende a sua volta una rispettiva linguetta (6) terminale estendentesi da un corpo (8) principale della rispettiva cella (2); gli elettrodi (3, 4) essendo impilati in modo tale che le linguette (6) con una stessa polarit? siano tra loro allineate; in cui la prima cella (2) planare e la seconda cella (2) planare sono disposte in modo che le linguette (6) aventi la stessa polarit? della prima cella (2) planare e della seconda cella (2) planare si trovino almeno parzialmente affacciate;

l?unit? (1) di accumulo essendo caratterizzata dal fatto che la prima cella (2) planare e la seconda cella (2) planare sono disposte in modo che le linguette (6) aventi la stessa polarit? della prima cella (2) planare e della seconda cella (2) planare si trovino almeno parzialmente sovrapposte in corrispondenza una zona (7) di sovrapposizione distale, rispetto al corpo (8) principale, di ciascuna linguetta (6); in cui in corrispondenza di detta zona (7) di sovrapposizione, almeno una linguetta (6) terminale appartenente alla prima cella (2) planare ed una linguetta (6) terminale appartenente alla seconda cella (2) planare sono tra loro direttamente saldate.

8) Unit? (1) secondo la rivendicazione 7, in cui linguette (6) consecutive aventi una stessa polarit? e appartenenti alla prima cella (2) planare sono saldate tra loro prima di essere saldate con le linguette (6) aventi la stessa polarit? della seconda cella (2) planare.

9) Unit? (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni 7 o 8, in cui le linguette (6) terminali aventi polarit? diverse sporgono da lati opposti della rispettiva cella (2) planare; in cui la prima cella (2) planare e la seconda cella (2) planare giacciono su uno stesso piano e su uno stesso asse longitudinale di simmetria.

10) Unit? (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni 7 o 8, in cui le linguette (6) terminali aventi polarit? diverse sporgono da uno stesso lato rispettiva cella (2) planare; in cui la prima cella (2) planare e la seconda cella (2) planare giacciono su uno stesso piano, ma non su uno stesso asse longitudinale di simmetria.

11) Unit? (1) secondo la rivendicazione 10, in cui le celle sono tra loro disposte sfalsate lungo entrambe le direzioni appartenenti al piano su cui giacciono.

12) Unit? (1) secondo la rivendicazione 11, in cui le celle sono tra loro uguali e, lungo una direzione longitudinale dell?unit? (1) di accumulo, sono sfalsate della met? della loro lunghezza.

13) Unit? secondo una qualunque delle rivendicazioni da 7 a 12, in cui le linguette (6) terminali sono realizzate di pezzo con, ovvero ricavate da, gli elettrodi positivi e/o negativi.

14) Pacco (10) batteria veicolare comprendente almeno una unit? (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 7 a 13.