IT202100015797A1 - Dispositivo modulare di gestione e monitoraggio - Google Patents

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Dario Mancini
Guido Mancini
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Description

Descrizione dell?Invenzione Industriale avente per titolo:
?DISPOSITIVO MODULARE DI GESTIONE E MONITORAGGIO?
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo modulare di gestione e monitoraggio, in particolare un dispositivo modulare di gestione e monitoraggio di un sistema di accumulo e/o di produzione di energia elettrica.
- Come noto la ricerca e lo sviluppo di nuovi materiali e metodi progettuali impiegati per la realizzazione di celle e/o batterie e/o pacchi batterie ha portato alla realizzazione di sistemi di accumulo di energia di elevata densit? di potenza. La riduzione delle dimensioni e del peso dei sistemi di accumulo di energia correlato all'incremento della capacit? disponibile consente e consentir? nei prossimi anni l'evoluzione e lo sviluppo di nuovi sistemi elettrici in tutti i settori civili, scientifici e industriali. Il corretto impiego dei sistemi di accumulo quali celle di qualunque tipologia e chimica, batterie e/o pacchi di batterie attualmente necessita, sia in fase di realizzazione che nelle fasi successive di utilizzo e manutenzione, di un sistema di monitoraggio, gestione e controllo per il mantenimento dell'affidabilit? del sistema. Di conseguenza per la realizzazione di un sistema di accumulo per la mobilita sostenibile, o a supporto di impianti di produzione fotovoltaica o eolica, o accoppiati a sistemi di produzione a fuel cell ad idrogeno, o nel caso della robotica industriale o in ambito medico, o nell'ambito di applicazioni medicali, o nel caso di alimentazione di dispositivi per le telecomunicazioni, o per i ponti radio, o nella nautica o nell'avionica, o nelle attrezzature scientifiche, ecc. incide notevolmente
- il costo del sistema di accumulo, assumendo un valore proporzionalmente notevole rispetto al resto del sistema in cui quest'ultimo viene integrato; - le prestazioni che nel tempo si riducono rapidamente soprattutto in caso di errato utilizzo, rendendo poi inefficiente o non soddisfacente le prestazioni del sistema.
E? evidente come non siano noti dispositivi per il monitoraggio e la gestione remota di accumulatori di energia che consentono una verifica dei parametri di funzionamento di un sistema di accumulo di energia, una riconfigurazione, un monitoraggio dello stato, e della quantificazione dell'energia gestita dal sistema di accumulo.
Scopo della presente invenzione ? quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un dispositivo modulare di gestione e monitoraggio di un sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell?invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verr? meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nel quale la Figura mostra uno schema a blocchi di una realizzazione preferita del sistema secondo la presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura un dispositivo 1 modulare di gestione e monitoraggio di un sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica, eventualmente associato ad un sistema che funge generatore, secondo la presente invenzione, dotato di:
- almeno un'unit? di controllo 10 dotata di almeno un microcontrollore e/o microprocessore provvisto dei necessari componenti e sistemi ausiliari ecc...; - almeno un?unit? I/O 2, progettata per consentire all'unit? di controllo 10 di poter effettuare una riconfigurazione dell'hardware del dispositivo 1, una misura, e una gestione dell'energia in transito tra almeno un?unit? di alimentazione 3, almeno un carico 4 ed almeno un?unit? di ricarica 5, come ad esempio nel caso di recupero di energia prodotta in alcune condizioni operative dal carico o in caso di auto-produzione di energia dal carico 4 all'unit? di alimentazione 3. - almeno un?unit? di comunicazione 13 per favorire la comunicazione del dispositivo 1 con l?ambiente esterno;
- almeno un?unit? di memorizzazione 12, progettata per la registrazione di dati, in particolare di log file, permettendo una registrazione sequenziale e cronologica delle operazioni effettuate dal dispositivo 1 e degli eventi, e progettata quindi per conservare le informazioni sul funzionamento del dispositivo 1, le informazioni relative alle decisioni attivate dal dispositivo 1 in autonomia sulla base della configurazione funzionale impostata, e le registrazioni di errori e problemi. Un file di log, dunque, ? sequenziale e sempre aperto alla scrittura, una volta chiuso, viene conservato con una periodicit? regolare, diventando cos? disponibile a supporto delle attivit? di monitoraggio e di amministrazione funzionale; ed eventualmente
- un?unit? di temporizzazione 11, progettata per associare una data ed un orario agli eventi registrati dal dispositivo 1, ad esempio l?unit? di temporizzazione 11 registra l'ora in cui avviene il superamento di un valore di tensione sottosoglia e l'ora dell?avvenuta comunicazione dell'evento al sistema generale di controllo ed all'utente, permettendo una valutazione dei valori di energia in transito che si ricavano dalla conoscenza dei valori di potenza e di tempo; ed
- un?unit? di localizzazione 17 dotata di un sistema di rilevamento di posizione all'aperto e al chiuso.
Vantaggiosamente il dispositivo 1 interagisce con l?unit? di ricarica 5, mediante l?unit? I/O 2, per gestire:
- sottosistemi di ricarica;
- la rete di alimentazione esterna in caso di sistemi ON-GRID con possibilit? di ingresso ed uscita di energia;
- un generatore ausiliario di emergenza;
- una o pi? fonti di produzione di energia green quali, ad esempio, eolico, fotovoltaico, celle a combustibile, sistemi di generazione a gas metano, idrogeno o altra idonea.
Vantaggiosamente l'unit? I/O 2 svolge anche funzioni di interfacciamento con le singole unit? costituenti il sistema di accumulo e con i relativi ausiliari, ad esempio, celle a combustibile o celle realizzate con supercondensatori e relativi sistemi ausiliari consentendo all'unit? di controllo 10 di interfacciarsi e gestire le unit? costituenti il sistema di accumulo in modo selettivo senza interrompere il servizio del sistema di accumulo nei confronti dell'utilizzatore potendo gestire e selezionare un?eventuale anomalia.
In particolare l'unit? I/O 2 consente all?unit? di controllo 10 di monitorare con adeguata precisione l'energia entrante ed uscente dall?unit? di alimentazione 3 sia nel caso che la ricarica avvenga attraverso il carico 4 sia nel caso che la ricarica avvenga attraverso l'unit? di ricarica 5 misurando anche l'aliquota di energia entrante nel sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica e la sua provenienza, fornendo un set di informazioni importanti per valutare i contributi energetici da parte delle unit? 3, 4, 5; eventualmente il carico 4 funge da generatore verso il sistema di accumulo come nel caso della mobilit? sostenibile in fase di frenata e quindi in fase di recupero dell'energia caso in cui il carico 4 riversa energia nel sistema di accumulo 3.
L?unit? I/O 2 consente quindi il controllo dell?energia in transito e la corretta valutazione e il controllo sulla qualit? dell?energia stessa consentendo all'unit? di controllo 10 di attivare configurazioni alternative al sistema di accumulo per evitare interruzioni del servizio come nel caso di guasti che ne comportino il malfunzionamento di una sezione che viene esclusa, consentendo la continuit? del funzionamento anche se con prestazioni limitate.
In particolare il sistema 2 supporta l'unit? 10 nella gestione selettiva dei singoli costituenti di un sistema di accumulo, individuando in modo selettivo l'anomalia con l'obiettivo di non interrompere l'erogazione dell'energia e riconfigurando il sistema di accumulo disabilitando la sezione difettosa e sostituendola in alcuni casi con unit? sostitutive di supporto. Tale funzione pu? anche essere supervisionata in remoto, ad esempio nel caso di sistemi di rilievo, come ponti radio, in cui l'interruzione del servizio ? critica (ponti radio) il dispositivo 1 garantisce la continuit? della fornitura elettrica.
L'unit? di alimentazione 3 pu? essere quindi anche costituita da pi? unit? ridondanti nei casi in cui ? richiesta la massima affidabilit? in termini di qualit? e continuit? del servizio del sistema. L'unit? di alimentazione 3 preferibilmente ? costituita da due o pi? sistemi di accumulo funzionanti in modo selettivo per consentire la continuit? assoluta di fornitura dell'energia.
Inoltre l'unit? I/O 2 consente quindi di monitorare le singole sezioni del sistema di accumulo permettendo il monitoraggio selettivo e consentendo l'identificazione delle anomalie disabilitando e sostituendo la sezione anomala senza inficiare il funzionamento del sistema che potr? anche continuare a funzionare in attesa di eventuali interventi di manutenzione se previsti ed attivati grazie alla comunicazione e gestione in remoto dell'avvenuta anomalia.
Vantaggiosamente l?unit? di memorizzazione 12 ? anche in grado di memorizzare una pluralit? di dati e di inviarli ad un sistema di gestione generale in seguito ad un?interruzione e successiva riconnessione del dispositivo 1 con un sistema di gestione generale remoto.
Nel caso di utilizzo del dispositivo 1 nel settore della mobilit? sostenibile, le informazioni raccolte dal dispositivo 1 hanno notevole importanza per valutare adeguatamente non solo l'efficienza del sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica da parte di un generatore ausiliario o in fase di recupero in frenata o mediante altre metodologie ma anche l'incidenza generale dei costi (energia acquistata, energia recuperata), delle prestazioni e del rendimento, in particolare permette di misurare l'energia in transito nel sistema di accumulo al fine di quantificarne l'uso e stabilire il costo dell'uso stesso da addebitare all'utente in luogo della vendita del sistema di accumulo, e della vita residua del sistema di accumulo.
Come mostrato in Figura, il modulo di comunicazione 13, ? progettato per comunicare con un?unit? di comunicazione cablata 14, mediante porte fisiche del tipo RS232, RS485, USB o altre analoghe, utilizzando protocolli di comunicazione come ad esempio canbus, canopen, modbus, i2c ecc o utilizzando protocolli di comunicazione proprietari di altri sistemi, che consentono l'utilizzo, la visualizzazione, lo storage, la trasmissione, l'uso di dati, favorendo la comunicazione tra l?utente O il cloud e il dispositivo 1.
Inoltre il modulo di comunicazione 13, ? progettato per comunicare con un?unit? di comunicazione wireless 15, permettendo la comunicazione e il monitoraggio dati su terminali portatili come, ad esempio, smartphone per mezzo di moduli Bluetooth o Wi-Fi, o altro analogo, ad esempio l'utente pu? verificare lo stato di carica del sistema di accumulo del dispositivo 1 o eventuali anomalie comunicando attraverso un applicazione dedicata, le informazioni relative allo stato del sistema di accumulo, messaggi dal centro di controllo, valore dell'energia gestita dal sistema di accumulo.
Inoltre il modulo di comunicazione 13, ? progettato per comunicare con un'unit? locale di avviso (visualizzazione dati) 7 permettendo all?utente di poter verificare ed essere informato dei dati principali, dello stato, delle prestazioni, delle eventuali anomalie e quindi della riduzione eventuale delle prestazioni del sistema di accumulo.
Inoltre il modulo di comunicazione 13, ? progettato per comunicare con unit? esterne di altri dispositivi di controllo che possono ospitare il dispositivo 1 per comunicare dati e informazioni utili ai dispositivi di controllo ospitanti per funzionare in piena affidabilit?, non inficia il controllo del dispositivo 1 da parte del centro di controllo a cui afferisce.
Vantaggiosamente i dati e le informazioni raccolte dal dispositivo 1 sono continuamente trasmessi ed immagazzinati in cloud mediante il modulo di comunicazione 13, un?unit? di comunicazione cablata 14, un?unit? di comunicazione wireless 15 attraverso metodologie IoT (Internet of Things), ed un sistema di controllo remoto verifica le informazioni e sulla base della configurazione stabilita per il dispositivo 1 attiva eventualmente le seguenti procedure:
- comunicazione via mail dello stato del sistema all?utente;
- modifica delle configurazioni del dispositivo 1;
quantificazione dell?energia gestita dal sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica e comunicazione all?utente;
determinazione dell?interruzione del servizio in caso di guasto o di altre problematiche;
valutazione diagnostica dello stato del dispositivo 1, dell?unit? di alimentazione 3, del carico 4, e dell? unit? di ricarica 5 determinando eventuali attivit? di sostituzione o riparazione e quindi possibili interventi di manutenzione; e
individuazione della posizione del dispositivo 1.
Inoltre la gestione degli allarmi da parte del dispositivo 1, presenta notevoli vantaggi, in particolare il dispositivo 1, in combinazione con un sistema di accumulo per la mobilit? sostenibile provvede ad informare il sistema di controllo remoto e l?utente se il livello di tensione del sistema di accumulo si approssima ad un livello di sottosoglia stabilito, in seguito, ad esempio, ad una lunga fase di non utilizzo del sistema di accumulo, evitando perdita di efficienza delle celle di carico del sistema di accumulo.
La comunicazione all?utente avviene in anticipo e quindi con un margine di sicurezza temporale, in modo da evitare comunque il raggiungimento di valori di tensione che potrebbero compromettere in maniera irreversibile la vita del sistema di accumulo, permettendo un monitoraggio istantaneo dei parametri di funzionamento, il dispositivo 1 ? in grado quindi di informare l'utente e naturalmente il sistema di controllo remoto in caso di superamento di soglie stabilite ed impostate a priori a seconda del tipo e delle caratteristiche del sistema di accumulo. Inoltre il monitoraggio dello stato del sistema di accumulo ed il conseguente avviso e/o la memorizzazione dell'evento, relativo ad un errato utilizzo della batteria, determina l'impossibilit? da parte dell'utente di attribuire al fornitore la mancanza di efficienza del sistema di accumulo o viceversa, evitando contraddittori.
Inoltre il dispositivo 1, mediante l?unit? di controllo 10, ? in grado di rilevare l'energia erogata, e anche la modalit? di erogazione, permettendo una valutazione dei consumi in funzione delle condizioni operative, sia durante la fase di carica che durante la fase di scarica di una pluralit? di celle costituenti il sistema di accumulo. Il rapporto tra energia entrante ed energia uscente dal sistema di accumulo viene monitorato anche al fine di verificare perdite improvvise di efficienza del sistema di accumulo, consentendo di valutare situazioni di pericolo che potrebbero insorgere e verificando il corretto funzionamento del sistema di accumulo, considerando le variazioni in termini di efficienza generale dipendenti ad esempio dalla temperatura del sistema di accumulo.
Il dispositivo 1, mediante l'unit? I/O 2 e i sistemi ausiliari di misura e di ventilazione, consente anche di gestire la temperatura del sistema di accumulo permettendo il controllo termico delle le celle o delle unit? che costituiscono il sistema di accumulo.
Inoltre Il dispositivo 1, permette una comunicazione di tipo bidirezionale, dove il flusso dati in uscita dal dispositivo 1 contiene informazioni dirette ed indirette sullo stato del sistema di accumulo e di tutti i sottosistemi, quali dati di gestione e dati da rappresentare all'utente, mentre il flusso dati in ingresso viene utilizzato per inviare eventuali comandi verso il dispositivo 1 per impostare i parametri caratteristici della batteria, attivare o disattivare singole celle o gruppi di celle, per modificare la modalit? di funzionamento e le impostazioni di base per il funzionamento, come, ad esempio, soglie di intervento ecc. Quindi in fase di definizione della destinazione d'uso il dispositivo 1 viene opportunamente configurato anche in termini di funzioni e funzionalit?, pertanto il dispositivo 1, ? un dispositivo modulare sia in termini di configurazione hardware che software, permettendo un aggiornamento costante ed in tempo reale dell?utente. Ad esempio un utente pu? essere interessato alla conoscenza del valore di energia disponibile nel sistema di accumulo, o ad indicazioni relative alla modalit? di utilizzo, o alla capacit? assoluta disponibile in termini di kWh oppure di tempo utile disponibile, o ai km ancora percorribili per la carica in corso o in assoluto considerando lo stile di guida medio dell'utente. Questa informazione viene calcolata anche considerando le informazioni ottenute dall?unit? di localizzazione 17 del dispositivo 1.
Infine il dispositivo 1, ? in grado di fungere da unit? di controllo nell'ambito di sistemi a propulsione ad idrogeno provvisti di celle a combustibile effettuando il controllo delle celle e dei sistemi ausiliari necessari per il loro funzionamento come per esempio iol sistema di accumulo dedicato all?immagazzinamento di energia in fase di frenata o per accumulo di energia in esubero prodotta dalle celle a combustibile.
Analogamente il sistema pu? essere impiegato con ogni tipo di celle o batterie utilizzate di ogni dimensione, capacit?, tensione, quali, ad esempio, batterie al litio, al sodio, LiPO, LiFePO4, NiMH, ecc e in caso di utilizzo di supercondensatori.
L?invenzione presenta i seguenti vantaggi:
- permette un monitoraggio in locale e/o remoto dei parametri funzionali di sistemi di accumulo, di celle, di combinazioni di celle di qualunque tipologia e quindi anche di supercondensatori, di celle a combustibile e ausiliari, di batterie al piombo, NiMH e al litio e derivati, al sodio, di sistemi di accumulo generici e/o di sistemi di produzione di energia elettrica.
- permette di riconfigurare il sistema di accumulo in modo da massimizzare l'affidabilit? in termini di qualit? e continuit? della fornitura. - permette di gestire l'energia in transito nei sistemi di accumulo e i livelli di utilizzo in modo da massimizzare la vita del sistema di accumulo. - favorisce una gestione di differenti tipologie di celle, batterie e/o pacchi batteria, sistemi di accumulo tradizionali, sistemi sperimentali o non standard, senza limiti di tensione, corrente, capacit?, tipologia di configurazione e/o di chimica.
- permette di misurare l'energia in uscita ed in ingresso dalle celle e/o dal sistema di accumulo determinando il decadimento prestazionale in funzione delle prestazioni richieste dall'utente. - memorizza valori istantanei di parametri durante la fase di scarica e durante la fase di carica di un sistema di accumulo, e memorizza dati utili per scopi sperimentali e/o di caratterizzazione, e registra eventi relativi al raggiungimento di livelli minimi e massimi di carica stabiliti o definiti per il sistema di accumulo evitando di compromettere la vita utile del sistema di accumulo;
- permette, basandosi sui dati raccolti, di valutare variazioni significative delle prestazioni momentanee a medio o a lungo termine per identificare anomalie o il normale degrado prestazionale consentendo di effettuare la previsione dell'attuazione di fasi di manutenzione e/o sostituzione e/o integrazione e/o riparazione delle unit? e/o della previsione delle prestazioni a breve, medio e lungo termine;
- interagisce con sistemi che ospitano il dispositivo 1 per lo scambio dati e parametri al fine del funzionamento in piena efficienza e affidabilit? del sistema ospitante;
- garantisce un monitoraggio a distanza della posizione del sistema attraverso l'uso di sistemi e metodologie di rilevamento della posizione all'aperto e al chiuso; e
- permette di misurare l'energia gestita dal sistema di accumulo al fine di quantificarne l'uso e stabilire il costo dell'uso stesso da addebitare all'utente in luogo della vendita del sistema di accumulo.
- Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell?invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell?ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.

Claims (5)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo (1) modulare di gestione e monitoraggio di un sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica, caratterizzato dal fatto di comprendere:
- almeno un'unit? di controllo (10) dotata di almeno un microcontrollore e/o microprocessore e ausiliari;
- almeno un?unit? I/O (2), progettata per consentire a detta unit? di controllo (10) di poter effettuare una riconfigurazione dell'hardware di detto dispositivo (1), una misura, una gestione dell'energia in transito tra almeno un?unit? di alimentazione (3), almeno un carico (4) ed almeno un?unit? di ricarica (5);
- almeno un?unit? di comunicazione (13) per favorire la comunicazione di detto dispositivo (1) con l?ambiente esterno;
- almeno un?unit? di memorizzazione (12), progettata per la registrazione di dati, di errori, di eventi e di informazioni sul funzionamento di detto dispositivo (1) e sulle decisioni attivate da detto dispositivo (1);
- un?unit? di temporizzazione 11, progettata per associare una data ed un orario agli eventi registrati da detto dispositivo (1); ed
- un?unit? di localizzazione (17) dotata di un sistema di rilevamento di posizione.
2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta unit? I/O (2) consente a detta unit? di controllo (10) di monitorare l'energia entrante ed uscente da detta unit? di alimentazione (3) sia nel caso che la ricarica avvenga attraverso detto carico (4) sia nel caso che la ricarica avvenga attraverso detta unit? di ricarica (5) misurando anche l'aliquota di energia entrante in detto sistema di accumulo e/o produzione di energia elettrica e la sua provenienza.
3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto modulo di comunicazione (13) di essere progettato per comunicare con:
- almeno un?unit? di comunicazione cablata (14), mediante porte fisiche o utilizzando protocolli di comunicazione, favorendo la comunicazione tra un utente o unit? ospitanti o il cloud e detto dispositivo (1);
- un?unit? di comunicazione wireless (15), per la comunicazione e il monitoraggio dati su terminali portatili; ed
- almeno un'unit? locale di avviso (visualizzazione dati) (7) progettato per permettere all?utente di poter verificare ed essere informato su detto sistema di accumulo.
4. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo (1) interagisce con detta unit? di ricarica (5), mediante detta unit? I/O (2), per gestire:
- sottosistemi di ricarica;
- una rete di alimentazione esterna in caso di sistemi ON-GRID;
- un generatore ausiliario di emergenza;
- una o pi? fonti di produzione di energia.
5. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i dati e le informazioni raccolte da detto dispositivo (1) sono continuamente trasmessi ed immagazzinati in cloud mediante detto modulo di comunicazione (13), detta unit? di comunicazione cablata (14), detta unit? di comunicazione wireless (15) attraverso metodologie IoT (Internet of Things).
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110998484A (zh) * 2017-06-13 2020-04-10 新塞尔斯有限公司 具有通用智能网关的能源虚拟化层及模块化能源存储器
CN112055912A (zh) * 2018-06-01 2020-12-08 住友电气工业株式会社 电池管理装置、电池信息处理系统以及电池信息处理方法

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