ITAR20120019A1 - Sistema di ricarica batterie modulare termicamente controllato per veicoli elettrici. - Google Patents

Description

"SISTEMA DI RICARICA BATTERIE MODULARE TERMICAMENTE CONTROLLATO PER VEICOLI ELETTRICI"

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha per oggetto un sistema per la ricarica delle batterie per veicoli elettrici, in particolare un sistema basato su accumulatori adatti alla trazione con coppia elettrochimica preferibilmente di tipo piomboacido .

L'aumento dei costi dei prodotti petroliferi così come l'esigenza di limitare le emissioni inquinanti rendono i veicoli elettrici una valida alternativa ai tradizionali mezzi a combustione interna. L'automobile elettrica solitamente à ̈ alimentata da uno o più motori elettrici che utilizzano l'energia immagazzinata in batterie o in sistemi di immagazzinamento equivalenti. Esistono varie tipologie di batterie con diverse capacità elettriche, differenti composizioni chimiche, forma e dimensioni. Comunemente i parametri che vengono utilizzati per rendere agevole il confronto tra le diverse tipologie di accumulatori sono l'energia specifica definita come energia per unità di massa e il rapporto potenza/peso inteso come potenza erogata per unità di massa. Altro parametro importante à ̈ la durata espressa in cicli, ossia il numero di cicli di carica e scarica che la batteria può supportare prima di avere un decadimento significativo delle prestazioni .

Gli accumulatori elettrici al piombo -acido sono economici e ampiamente reperibili sul mercato, sono facilmente riciclabili ed hanno prestazioni certe e ben definite. Lo svantaggio di queste batterie à ̈ rappresentato da una bassa densità di energia. Statisticamente però sono in grado di soddisfare le esigenze dell'utilizzatore nella maggior parte dei casi.

Altre coppie elettrochimiche sono state utilizzate nel corso degli anni al fine di ovviare ad alcuni degli svantaggi che caratterizzano le batterie al piombo-acido .

Le batterie al nichel sono il modello preferito per le generazioni attuali di vetture ibride perché le prestazioni in termini di energia e di durata sono superiori a quelle al piombo -acido. Anche le batterie al nichel presentano alcuni svantaggi. Ad esempio, le versioni al nichel -cadmio soffrono di effetto memoria, un problema che può diminuirne l'efficacia in poco tempo, problema meno evidente con i modelli nichel -idruri metallici. Per di più il cadmio presenta problemi relativi al suo smaltimento ed ha elevato impatto ambientale.

Un altro tipo di batteria à ̈ quella a litioioni organizzata in celle che per quanto più costose, presentano dei vantaggi rispetto alle tradizionali batterie piombo- acido sia in termini di densità di energia, di potenza che di numero di cicli. Purtroppo queste batterie sono caratterizzate da una certa instabilità chimica dovuta principalmente al litio e richiedono elettronica di controllo aggiuntiva capace di isolare le singole celle in caso di sovraccarico o di temperature eccessive per evitare danneggiamenti o addirittura la loro esplosione.

Esistono anche i modelli litio-polimeri che vantano prestazioni ancora superiori (4-7 volte energia dei piombo, 2-4 volte potenza del piombo, numero di cicli simile alle litio-ioni) ma che presentano anche dei costi più alti.

Un problema comune ai sopraccitati accumulatori à ̈ costituito da una variabilità del loro rendimento energetico, che à ̈ strettamente legato alla temperatura. Tipicamente le temperature ideali di utilizzo sono comprese tra gli 0°C ai 30°C. Sopra e sotto tali valori le prestazioni della batteria diminuiscono proporzionalmente anche del 70%.

Una eccezione in tal senso à ̈ costituita dagli accumulatori al sale la cui composizione chimica prevede sodio insieme a cloruri di nichel. Tali batterie lavorano a temperature dell'ordine di 250-270°C, caratteristica che le obbliga ad essere incapsulate in speciali contenitori termici mantenuti costantemente a quella temperatura. Per contro proprio il doversi mantenere così "calde" implica un assorbimento di energia dalla batteria stessa che se non usata per pochi giorni consecutivi si scarica completamente. Le altre prestazioni sono analoghe a quelle delle litioioni, eccezion fatta per la potenza erogabile che à ̈ più simile a quella delle piombo-acido . Il loro costo infine risulta in linea con le stesse litio, con valori di 3-4 volte le piombo.

Alcuni operatori del settore forniscono servizi di sostituzione delle batterie. Queste "stazioni di ricarica" stoccano al loro interno un certo numero di batterie, di diverso tipo a seconda del modello di auto. Dato il numero di tipologie, di cui l'elenco di cui sopra à ̈ un esempio, lo svantaggio principale di una soluzione di questo tipo à ̈ che tali stazioni devono essere fornite di vari modelli di batteria, per via della presenza nel mercato di marchi differenti e con capacità diverse. Il costo di una stazione di questo genere à ̈ esorbitante, difficilmente ammortizzabile con un solo marchio produttore.

Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di superare i limiti dell'arte nota sopra evidenziati, proponendo un nuovo sistema in grado di ricaricare le batterie che sia rapido ed efficiente .

Questo compito e questi ed altri scopi che risulteranno maggiormente chiari nel seguito, sono raggiunti da un sistema di ricarica per batterie comprendente una pluralità di moduli ciascuno comprendente una pluralità di batterie elettricamente connesse in serie, ciascun modulo comprendendo inoltre un circuito di equalizzazione di carica, un termometro interno, un dispositivo di bloccaggio rapido, una slitta atta all'inserimento e all'estrazione di detta pluralità di moduli, detta pluralità di moduli essendo agganciata a detta slitta tramite detto dispositivo di bloccaggio rapido, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di moduli à ̈ elettricamente connessa, in serie o in serie parallelo tramite l'utilizzo di un deviatore e detta slitta à ̈ disposta all'interno di un tunnel coibentato termicamente e climatizzato collocato all'interno di detto veicolo.

Vantaggiosamente il sistema si propone di limitare la riduzione di capacità energetica dovuta ad escursioni termiche.

Vantaggiosamente, il sistema di ricarica à ̈ in grado di fornire la massima energia ad un veicolo in un periodo di tempo di pochi minuti.

Convenientemente, il sistema propone di migliorare le prestazioni tramite un'organizzazione modulare delle batterie.

Preferibilmente, il sistema si propone di ridurre le conseguenze dovute alla fuoriuscita di elettrolito in caso di incidente.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla seguente descrizione dettagliata, resa in forma di esempio illustrativo e non limitativo, accompagnata dalle relative figure in cui:

la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi di un componente del sistema in accordo con il presente trovato ;

la figura 2 Ã ̈ uno schema a blocchi di sistema che spiega con maggior dettaglio il sistema in accordo con il presente trovato;

la figura 3 Ã ̈ uno schema a blocchi che illustra una forma preferita di realizzazione secondo il presente trovato.

Un'architettura esemplificativa del sistema oggetto del presente trovato à ̈ sintetizzata nello schema a blocchi di Figura 1.

Il modulo 100 comprende una pluralità di batterie 110, 110', un termometro interno 120, un circuito di equalizzazione di carica 130, una pluralità di contatti elettrici di potenza in entrata ed uscita 140, almeno un deviatore seriale -parallelo 150, ed un sistema di bloccaggio 160.

Le pluralità delle batterie 110, 110' di tipo noto, preferibilmente piombo-acido. L'esperto del ramo comprende che la scelta delle batterie al piombo -acido à ̈ dovuta principalmente alla loro ampia disponibilità commerciale ma ovviamente il sistema à ̈ perfettamente utilizzabile anche con batterie utilizzanti altre coppie elettrochimiche, che plausibilmente risulteranno più economiche tra qualche anno. In una forma di realizzazione preferita l'elettrolito à ̈ di tipo gelatinoso. In un'altra forma di realizzazione tale elettrolito può essere assorbito da fibroresina. In tal modo nessuno liquido à ̈ rilasciato dalle batterie in caso di incidente. Per quanto il numero di batterie per ciascun modulo possa variare, la loro tensione complessiva deve mantenersi nei limiti imposti dalla legge o che comunque non siano tali da mettere in pericolo la vita del conducente. Preferibilmente, tale tensione complessiva non deve superare i 48V.

Il termometro 120 interno al modulo à ̈ di tipo noto, à ̈ disposto all'interno del modulo 100 ed à ̈ in grado di misurare la temperatura o delle variazioni di temperatura. Tale dispositivo à ̈ ulteriormente adattato a comunicare i dati rilevati ad un dispositivo esterno, quale una centralina elettronica esterna non illustrata, per mezzo dei contatti elettrici 170.

L'equalizzatore di carica 130 à ̈ di tipo noto ed à ̈ essenzialmente un dispositivo che può essere realizzato come filtro in grado di attuare processi di equalizzazione quale riduzione delle distorsioni e attenuazioni delle disuniformità del segnale elettrico.

I contatti elettrici 140 permettono di applicare una potenza sia in entrata che in uscita mentre il deviatore seriale -parallelo 150 agevola l'accoppiamento del modulo 100 con altri moduli 100', 100'' equivalenti.

Le guide 160 sono realizzate in maniera tale da permettere di fissare in maniera agevole e sicura la pluralità di batterie 110, 110' sul modulo stesso.

Il sistema di bloccaggio 180 consente di fissare detto modulo ad una slitta che verrà mostrata con maggior dettaglio in figura 2.

Con riferimento alla Figura 2, verrà ora illustrata con maggior dettaglio una sezione del sistema relativa ad un modulo illustrato in Figura 1.

Il modulo 100, 100' à ̈ realizzato preferibilmente in materiale plastico, rinforzato con fibre non conduttive, preferibilmente non di carbonio, in modo da contenere il peso e garantire comunque resistenza alle sollecitazioni. Preferibilmente tale materiale ha proprietà termoisolanti migliori di quelle ottenute con materiali metallici. Il modulo 100, 100' possiede almeno un aggancio di sicurezza 190, 190' al telaio del veicolo e ulteriori contatti elettrici 230, 240, 230', 240', definiti anche come cavi di potenza o cavi di segnale, che ne rendono possibile la connessione con un altri moduli 100, 100'. I moduli 100, 100' sono ispezionabili, così da garantire manutenzione e/o sostituzione degli elementi. In una forma di realizzazione preferita detto modulo contiene quattro batterie di 12V per uso trazione collegate in serie tra loro in modo da fornire un voltaggio complessivo del modulo non pericoloso per l'incolumità umana in caso di contatto, che al momento risulta essere pari a 48V.

La dotazione minima per ogni veicolo à ̈ di due moduli collegati in serie. Nella forma di realizzazione preferita il voltaggio complessivo della coppia di moduli collegata serialmente à ̈ pari a 96V.

La slitta 200 à ̈ realizzata in maniera tale da permettere l'agile estrazione e reinserimento dei moduli. Detta slitta 200 à ̈ realizzata all'interno di un tunnel 210 (che fa parte della struttura del veicolo) il quale à ̈ attraversato da un circuito di climatizzazione per tenere le batterie ad una temperatura ottimale. Questo tunnel 210 à ̈ preferibilmente disposto centralmente a bordo del veicolo, à ̈ coibentato termicamente ed à ̈ attraversato da un circuito di climatizzazione integrato con la climatizzazione dell'abitacolo e quella del motore e dell'elettronica di trazione,e ad un induttore supplementare.

E' stato cosi mostrato che il metodo e il sistema descritti raggiungono il compito e gli scopi proposti. In particolare, si à ̈ visto come il sistema così concepito permetta di superare i limiti qualitativi dell'arte nota. Come mostrato ad esempio in figura 3, l'esperto del ramo può apprezzare che il sistema secondo il presente trovato, costituito ad esempio da tre moduli (100, 100', 100'') può essere vantaggiosamente e facilmente inserito nell'abitacolo di un veicolo, all'interno un tunnel coibentato termicamente e climatizzato .

Chiaramente, numerose modifiche sono evidenti e possono essere prontamente eseguite dall'esperto del ramo senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.

Ad esempio, à ̈ ovvio per il tecnico del ramo che la presente invenzione supera i limiti e i problemi della tecnica nota in virtù di una nuova concezione del pacco batterie suddiviso in moduli standardizzati, che utilizzano il modello più economico e diffuso sul mercato (quello al piomboacido) , sostituibili in appositi centri sfruttando le reti di distribuzione batterie già presenti sui territorio .

Per quanto al momento l'utilizzo delle batterie al piombo acido sia consigliabile, perché economiche ed ampiamente diffuse, à ̈ ovvio al tecnico del ramo che la soluzione del presente trovato à ̈ perfettamente utilizzabile anche con batterie che utilizzano una differente coppia elettrochimica .

Perciò, l'ambito di protezione delle rivendicazioni non deve essere limitato dalle illustrazioni o dalle forme di realizzazione preferite illustrate nella descrizione sotto forma di esempi, ma piuttosto le rivendicazioni devono comprendere tutte le caratteristiche di novità brevettabile che risiedono nella presente invenzione, incluse tutte le caratteristiche che sarebbero trattate come equivalenti dal tecnico del ramo.

Claims (10)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Sistema di ricarica per batterie particolarmente adatto a un veicolo a trazione elettrica comprendente: una pluralità di moduli (100, 100') ciascuno comprendente una pluralità di batterie (110, 110'') elettricamente connesse in serie, ciascun modulo comprendendo inoltre un termometro interno (120), un circuito di equalizzazione di carica (130), un dispositivo di bloccaggio rapido (180); una slitta (200) atta all'inserimento e all'estrazione di detta pluralità di moduli (100, 100'), detta pluralità di moduli (100, 100') essendo agganciata a detta slitta (200) tramite detto aggancio di sicurezza (190); caratterizzato dal fatto che: detta pluralità di moduli (100, 100') à ̈ elettricamente collegata tramite una connessione in serie in serie o in parallelo, detta connessione selezionata per mezzo di un deviatore e detta slitta à ̈ disposta all'interno di un tunnel (210) coibentato termicamente climatizzato collocato all'interno di detto veicolo.
2. 2. Sistema in accordo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun modulo di detta pluralità di moduli comprende ulteriormente: una pluralità di guide (160) atte al bloccaggio delle batterie; una pluralità di contatti elettrici (140) di potenza in entrata ed in uscita; una pluralità di contatti elettrici (170) di segnale del termometro; un deviatore serie-parallelo (150) atto per 1 'accoppiamento dei moduli.
3. 3. Sistema in accordo con la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di batterie sono di tipo piombo-acido .
4. 4. Sistema in accordo con una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto termometro interno (120) à ̈ collegato ad una centralina elettronica di controllo .
5. 5 . Sistema in accordo con una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto tunnel (210) coibentato termicamente comprende inoltre un circuito di climatizzazione integrato con i sistemi di climatizzazione dell'abitacolo, del motore e dell’elettronica di trazione e di un induttore.
6. 6. Sistema in accordo con una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre delle fibroresine atte all'assorbimento dell'elettrolito in caso di fuoriuscita o dove detto elettrolito à ̈ gelatinoso.
7. 7. Sistema in accordo con la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di moduli (100, 100') à ̈ realizzata in materiale plastico rinforzato con fibre non conduttive.
8. 8. Sistema in accordo con una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di moduli (100, 100') à ̈ preferibilmente un multiplo di due ed il numero di dette batterie nel modulo à ̈ quattro.
9. 9. Sistema in accordo con la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il numero di detti moduli (100, 100') collegati serialmente à ̈ preferibilmente due, il numero di dette batterie (110, 110'') comprese in ciascuno di detti moduli à ̈ quattro, il voltaggio di ciascuna di dette batterie (110, 110'') collegate serialmente à ̈ di 12V, e il voltaggio di ciascuno di detti moduli à ̈ 48V.
10. 10 . Metodo di ricarica per batterie particolarmente per un veicolo a trazione elettrica comprendente i passi di: fornire una pluralità di moduli (100, 100') ciascuno comprendente 4 batterie (110, 110'') interconnesse serialmente, ciascun modulo comprendendo inoltre un circuito di equalizzazione di carica (130) , un termometro interno (120), un dispositivo di bloccaggio rapido (180); fornire una slitta (200) atta all'inserimento e all'estrazione di detta pluralità di moduli, agganciare detta pluralità di moduli a detta slitta tramite detto dispositivo di bloccaggio rapido (180) ,-caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre i passi di interconnettere detta pluralità di moduli (100, 100') tramite una connessione in serie o in parallelo, detta connessione selezionata per mezzo di un deviatore e disporre detta slitta (200) all'interno di un tunnel (210) coibentato termicamente e climatizzato collocato all'interno di detto veicolo.