Modulo di alimentazione elettrica e metodo per assemblarlo

L’invenzione si riferisce ad una soluzione di integrazione per batterie al litio in formato cilindrico, che consente di realizzare pacchi batteria (battery pack) costituiti da un numero elevato di celle (es. tra 1.000 e 10.000) utilizzabili in ambito sia automotive che industriale.

Titolo brevetto Modulo di alimentazione elettrica e metodo per assemblarlo
Area Ingegneria elettrica, elettronica e dell'informazione
Titolarità Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
Inventori Claudio Rossi, Matteo Marano, Alessio Pilati
Ambito territoriale di tutela Italia, con possibilità di estensione internazionale
Stato Disponibile per accordi di licenza
Keywords batterie, batterie al litio, celle cilindriche, connessioni di cella, supporto cella, misure di temperatura
Depositato il 25/06/2018

Negli ultimi anni, nel settore delle batterie al litio, è aumentata la capacità produttiva mondiale, è migliorata la qualità dei prodotti e sono diminuiti continuamente i prezzi. Questi fattori rendono le batterie al litio l’elemento centrale del processo di elettrificazione della mobilità, che è ormai avviato, e che avrà un impatto massiccio sul sistema produttivo legato sia all’ambito automobilistico, che a quello dell'industria e dell'agricoltura.

Le soluzioni di integrazione di pacchi batterie prevalentemente in uso in Europa per applicazioni veicolari sono basate su celle di grande formato in configurazione ‘pouch’ o prismatiche. Non vi sono esperienze significative nell’utilizzo di celle cilindriche di piccolo formato, principalmente per la diffidenza verso una soluzione che pone maggiori sfide di integrazione. Le celle cilindriche rappresentano d’altra parte la soluzione costruttiva che offre le migliori prestazioni in termini di densità energetica, ed il miglior rapporto tra qualità e costo. Le celle cilindriche al momento sono utilizzate su larga scala, con ottimi risultati, prevalentemente in applicazioni di piccole dimensioni, ad esempio e-bike e powertools.

I principali ostacoli tecnici alla realizzazione di grandi battery pack (BP) con celle cilindriche per applicazioni automotive, che l’industria dei BP non è riuscita ancora ad affrontare, sono in particolare:

- difficoltà di integrare elettricamente e meccanicamente tra loro un numero elevatissimo di celle;

- difficoltà di gestire termicamente il BP in condizioni ambientali o di utilizzo estreme;

- difficoltà di monitorare un gran numero di grandezze fisiche per garantire lo stato di integrità del BP;

- difficoltà di elaborare le informazioni acquisite e di sintetizzare informazioni in grado di descrivere lo stato del BP. 

L’attività di ricerca svolta presso l’Università di Bologna è stata finalizzata allo sviluppo di una soluzione di integrazione per batterie al litio in formato cilindrico, che consenta di realizzare pacchi batteria (battery pack BP) costituiti da un numero elevato di celle (es. tra 1.000 e 10.000), utilizzabili sia in ambito automotive che industriale.

In particolare, la soluzione proposta, rispetto alle alternative esistenti, consente di massimizzare la densità energetica, la durata di vita delle celle ed in generale la sicurezza attiva e passiva del pacco, e quindi del veicolo su cui è installata. La soluzione sviluppata è inoltre particolarmente adatta ad essere assemblata con un processo fortemente automatizzato, riducendo così i rischi per gli operatori, i tempi di assemblaggio e quindi i costi di produzione, ed offrendo standard qualitativi e di affidabilità molto elevati. Come ultima finalità, la soluzione proposta dall’invenzione ha lo scopo di estendere l’utilizzo delle cilindriche verso applicazioni di dimensioni elevate superando le problematiche di integrazione e sicurezza attualmente esistenti, in modo da estendere il campo di applicazione di questa tecnologia ad ambiti dove la loro penetrazione non è ancora particolarmente evidente.

La gamma di possibili applicazioni è molto ampia e copre primariamente il settore delle automobili elettriche (BEV) e ibride (HEV), dalle auto compatte fino alle auto di gamma elevata. La soluzione di base, la metodologia di progettazione del pacco ed il processo di assemblaggio automatico, potranno essere estesi ad altri settori applicativi, quali i veicoli commerciali leggeri e pesanti, i mezzi per il trasporto pubblico e i veicoli da lavoro in ambito industriale ed agricolo.

I principali vantaggi offerti dalla soluzione brevettata riguardano l’incremento della sicurezza intrinseca, la durata di vita del pacco e la riutilizzabilità delle celle, anche in applicazioni diverse dall’automotive. Queste caratteristiche sono fortemente distintive rispetto alle soluzioni esistenti e incrementeranno la competitività, e quindi la redditività, dei produttori di BP che utilizzeranno la soluzione proposta.

Inoltre, l’idea brevettuale presenta una soluzione di processo e prodotto per il BP che supera le problematiche di integrazione di celle cilindriche attualmente esistenti. Le soluzioni tecniche principali che consentono di ottenere questo risultato sono relative a:

- sicurezza: misura di temperature sui due terminali di cella, e quindi garanzia di monitoraggio sul 100% delle celle, superando tutte le soluzioni attuali che prevedono un monitoraggio a campione.

- Affidabilità e costo: struttura modulare, dove elementi elettrici e meccanici collaborano tra loro alla strutturazione meccanica e annullano l’utilizzo di collegamenti elettrici filati, superando le soluzioni attuali dove il cablaggio filato è un elemento centrale dell’integrazione.