IT201800007408A1

IT201800007408A1 - “pacco-batteria per bicicletta elettrica”

Info

Publication number: IT201800007408A1
Application number: IT102018000007408A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23
Also published as: WO2020021420A1

Description

“PACCO-BATTERIA PER BICICLETTA ELETTRICA”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce genericamente ad una batteria elettrica per una bicicletta a pedalata assistita, e alla bicicletta così dotata.

Le biciclette elettriche a pedalata assistita sono dotate di un motore elettrico propulsore alimentato da un pacco-batteria di bordo. Il pacco-batteria è solitamente un assieme di batterie collegate in serie e parallelo per ottenere la tensione totale e l’amperaggio necessari. Quasi come uno standard, si usano batterie cilindriche da 3,6 V nominali.

Il pacco-batteria, per ragioni di spazio e peso, quasi universalmente viene montato nel canotto anteriore della bicicletta, cioè nel tubo del telaio che collega la scatola dei pedali con lo snodo del manubrio. Purtroppo la sua posizione finisce per essere una scomodità per il ciclista, che pedalando si ritrova tra le ginocchia un ingombro indesiderato. E anche l’aerodinamica della bicicletta ne risente, perché la forma massiva del canotto riempito dal pacco-batteria ha forma a bassissimo coefficiente di penetrazione. Infine, i cablaggi interni del pacco-batteria per realizzare i collegamenti in serie e parallelo tra le batterie sono molto complessi, e aggiungono parecchio peso.

Scopo principale dell’invenzione è migliorare questo stato dell’arte.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un pacco-batteria, preferibilmente integrato in una bicicletta a pedalata assistita, secondo la rivendicazione 1; altre vantaggiose caratteristiche tecniche sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Il pacco-batteria serve per generare una tensione a due terminali di uscita, e comprende

K moduli di generazione di tensione, K >=2, collegati elettricamente tra loro in serie per dare la tensione ai terminali di uscita,

ogni modulo comprendendo N batterie, N>=2, collegate elettricamente tutte tra loro in parallelo, ove per ogni modulo sono definibili due immaginari piani paralleli su cui giacciono tutti i poli elettrici opposti delle N batterie del modulo, e

i moduli sono disposti allineati lungo un asse del pacco-batteria in modo che i detti piani paralleli di ogni modulo siano ortogonali all’asse del pacco-batteria.

Questa disposizione risulta molto affusolata, modulare nella tensione di uscita e di ingombro ridotto. Preferibilmente per i K moduli di generazione, K vale 6 o 7.

Preferibilmente ciascuna delle N batterie di un modulo genera una tensione di circa 3,6 V.

Preferibilmente per ogni modulo N vale 6 o 7.

Preferibilmente in corrispondenza dei due immaginari piani paralleli ogni modulo comprende una piastra elettricamente conduttrice per cortocircuitare tutti i poli elettrici omologhi delle N batterie.

Preferibilmente le N batterie di uno o ciascuno dei K moduli, sono uguali fra loro.

Preferibilmente le N batterie di uno o ciascuno dei K moduli, sono disposte secondo i vertici di un poligono regolare (ad es. un esagono) o lungo una circonferenza, più preferibilmente in modo da circondare, ad es. toccandola, una batteria posta al centro del poligono regolare o della circonferenza.

Preferibilmente la serie elettrica dei moduli è realizzata ponendo in serie elettrica tutte le piastre conduttrici dei moduli.

Preferibilmente ciascuna delle N batterie dei K moduli ha un asse passante per i propri due poli elettrici opposti, e in ogni K-esimo modulo tali assi delle N batterie sono tutti paralleli fra loro.

Preferibilmente tutti gli assi delle N*K batterie contenute nel pacco-batteria sono paralleli fra loro e paralleli all’asse del pacco-batteria.

Preferibilmente il pacco-batteria comprende un circuito elevatore di tensione per elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita.

Preferibilmente il circuito elevatore di tensione è configurato per elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita in funzione di un segnale elettrico proveniente dall’esterno del pacco-batteria.

Un altro aspetto dell’invenzione riguarda una bicicletta a pedalata assistita da motore elettrico comprendente un pacco-batteria, per alimentare il motore elettrico, come definito in una o ciascuna delle precedenti varianti.

In particolare il pacco-batteria è installato dentro la cavità di un canotto o elemento tubolare che forma il telaio della bicicletta.

In particolare i moduli sono disposti allineati dentro il canotto o elemento tubolare in modo che l’asse del pacco-batteria, cioè quello dei moduli messi in fila, coincida o sia parallelo ad un asse longitudinale del canotto o elemento tubolare.

Preferibilmente la bicicletta a pedalata assistita comprende un circuito elettronico (ad es. un microprocessore) configurato per controllare un circuito elevatore di tensione, ad es. compreso nel pacco batteria, che è in grado di elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita del pacco batteria. Il circuito elettronico è configurato per controllare rapporto di conversione ingresso/uscita del circuito elevatore tramite un segnale elettrico, trasmesso via cavo o wireless.

Ulteriori vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione seguente, che si riferisce ad un esempio di realizzazione preferito in cui:

- la figura 1 mostra una vista laterale di una bicicletta elettrica;

- la figura 2 mostra una vista schematica di un pacco-batteria;

- la figura 3 mostra una vista in pianta di un modulo del pacco-batteria;

- la figura 4 mostra una batteria vista di lato.

Una bicicletta elettrica 10 (fig. 1) è mobile su due ruote 12 accoppiate da forcelloni 26, 28, rispettivamente anteriore e posteriore, ad un telaio centrale 14.

Il telaio 14 è formato principalmente da un canotto orizzontale 20, un canotto verticale anteriore 16 e un canotto verticale posteriore 18 che formano una sorta di struttura triangolare.

Nel canotto anteriore 16 è montato un pacco-batteria 40 per alimentare un motore elettrico 32 che, insieme a pedali 30, fornisce la coppia propulsiva alla bicicletta 10.

La qui descritta struttura della bicicletta 10 è esemplificativa e non va intesa come limitativa per l’ambito dell’invenzione.

Il pacco-batteria 40 può essere installato anche in zone diverse della bicicletta 10, ad es. nel canotto 18 o 20, pur mantenendo i suoi vantaggi.

Il pacco-batteria 40 ha una struttura circuitale visibile in fig.2.

Esso comprende dei moduli 42 posti in fila e collegati in serie lungo un asse X, ove ogni modulo 42 è formato da N batterie 50 (v. fig.3) da 3,6 V collegate in parallelo. Il numero N di batterie 50 collegate in parallelo dentro un modulo 42 può variare da quanto illustrato; e preferibilmente, per massima modularità, ogni modulo 42 comprende lo stesso numero N di batterie 50.

Il numero dei moduli 42 può essere variabile in base alla potenza richiesta, tipicamente il paccobatteria 40 comprenderà sei o sette moduli 42. Nel primo caso la tensione totale V1 ai capi dei sei moduli 42 è quindi circa 22 V. Nel secondo caso la tensione totale V1 ai capi dei sette moduli 42 è quindi circa 25 V.

Questa tensione viene poi elevata ad una tensione maggiore V2 pari a circa 36 V, valore standard nelle biciclette elettriche, da un elevatore 70 di tensione, ad es. un convertitore a topologia boost o a trasferimento di carica.

I componenti elettronici dell’elevatore 70 possono essere alimentati ad es. direttamente dalla tensione V1.

La tensione delle batterie 50 può anche variare dai suddetti 3,6 V, come anche può variare il numero di moduli 42 messi in serie e la tensione di uscita V2.

Fig.3 mostra in pianta una preferita disposizione di singole batterie 50 dentro ogni modulo 42. Fig.4 mostra una singola batteria 50 vista di lato.

Ci sono in totale N=7 batterie 50, ad es. cilindriche, tutte uguali e affiancate una all’altra con assi paralleli. Per compattezza, sei batterie 50 sono disposte ai vertici di un esagono e circondano una batteria 50 centrale. Per minimizzare gli ingombri, le batterie 50 esterne sono tutte avvicinate a quella centrale fino a toccarla.

Ogni batteria 50 ha uno stesso polo elettrico esposto ad un terminale 52 e ad un terminale opposto 58.

I terminali 52 delle sette batterie 50 sono collegati in parallelo da una piastrina conduttrice 60. Un’analoga piastrina conduttrice (non mostrata) è montata per cortocircuitare il polo elettrico di polarità opposta presente sui terminali 58 diametralmente opposti delle batterie 50.

Per ottenere la serie di fig.2 basta allora collegare in serie le piastrine dei moduli 42.

Nella disposizione illustrata tutte le piastrine dei moduli 42 sono ortogonali all’asse X. Le piastrine 60 giacciono su due immaginari piani paralleli che sono ortogonali all’asse X e ad un asse X2 che passa in ogni batteria 50 per i terminali 52, 58 (v. fig.4). Ciascuna batteria 50 ha l’asse X2 parallelo agli assi delle batterie adiacenti, e tutti gli assi X2 sono paralleli all’asse X.

I vantaggi del pacco-batteria 40 sono molteplici, tra cui:

- l’assieme dei moduli 42 impilati è un oggetto molto affusolato e snello, che assomiglia ad un cilindro molto lungo rispetto alla base, come una bacchetta. Ciò consente di assottigliare la forma esterna del canotto in cui si monta il pacco 40, riportandolo a dimensioni simili a quelle delle biciclette normali, non assistite, con immediati vantaggi di comfort per il ciclista, di aerodinamica per la bicicletta 10 e, non ultimo, estetiche;

- la tensione V1 è raggiunta con la messa in serie dei moduli 42 disponendoli lungo un solo asse. Non servono allora complessi collegamenti circuitali tra i moduli che appesantiscono il pacco-batteria e lo rendono costoso da fabbricare;

- la tensione V2 è prodotta con un numero minore o minimo di batterie 50. Allora il peso e volume del pacco-batteria 40 si riducono rispetto ai noti pacco-batteria che generano la tensione V2 sfruttando solo la serie di batterie 50;

- l’elevatore 70 consente una regolazione della tensione V2, che rimane sempre costante durante il funzionamento. I noti pacco-batteria, invece, soffrono lo svantaggio che la tensione V2 cala quando alimenta il motore 32, il cui rendimento si abbassa di conseguenza.

Un altro vantaggio riguarda la possibilità di alimentare il motore 32 con una tensione superiore a quella nominale prevista qualora il motore giri ad una velocità tale da generare una tensione controelettromotrice vicina a quella della batteria. Un motore elettrico è anche infatti un generatore e la forza contro-elettromotrice che genera limita il campo di funzionamento a valori di giri in cui è prevalente la forza elettromotrice generata dalla batteria.

Spesso, ai regimi più elevati del motore l’elettronica di controllo introduce delle correzioni di pilotaggio, denominate “deflussaggio”, di per sé dispendiose dal punto di vista energetico.

Vantaggiosamente tale elettronica può comandare, mediante comunicazione su un bus standard (CAN Bus o seriale, ad esempio) il convertitore boost 70 per innalzare la tensione di alimentazione del motore 32 evitando il deflussaggio.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pacco-batteria (40) per bicicletta a pedalata assistita (10) per generare una tensione a due terminali di uscita, comprendente K moduli (42) di generazione di tensione, K >=2, collegati elettricamente tra loro in serie per dare la tensione ai terminali di uscita, ogni modulo (42) comprendendo N batterie (50), N>=2, collegate elettricamente tutte tra loro in parallelo, ove per ogni modulo (42) sono definibili due immaginari piani paralleli su cui giacciono tutti i poli elettrici opposti (52, 58) delle N batterie (50) di un modulo, e i moduli (42) sono disposti allineati lungo un asse (X) del pacco-batteria in modo che i detti piani paralleli di ogni modulo siano ortogonali all’asse (X) del pacco-batteria.
2. Pacco-batteria (40) secondo la rivendicazione 1, in cui per ogni modulo N vale 6 o 7, e le N batterie di uno o ciascuno dei K moduli sono uguali fra loro.
3. Pacco-batteria (40) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le N batterie di uno o ciascuno dei K moduli, sono disposte secondo i vertici di un poligono regolare, ad es. un esagono, o lungo una circonferenza, e in modo da circondare, ad es. toccandola, una batteria posta al centro del poligono regolare o della circonferenza.
4. Pacco-batteria (40) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui in corrispondenza dei due immaginari piani paralleli ogni modulo (42) comprende una piastra elettricamente conduttrice (60) per cortocircuitare tutti i poli elettrici omologhi (52, 58) delle N batterie.
5. Pacco-batteria (40) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui ciascuna delle N batterie dei K moduli ha un asse (X2) passante per i propri due poli elettrici opposti (52, 58), e in ogni K-esimo modulo tali assi (X2) delle N batterie (50) sono tutti paralleli fra loro.
6. Pacco-batteria (40) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui tutti gli assi (X2) delle N*K batterie (50) contenute nel pacco-batteria (40) sono paralleli fra loro e paralleli all’asse (X) del pacco-batteria.
7. Pacco-batteria (40) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente un circuito elevatore di tensione (70) per elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita.
8. Pacco-batteria (40) secondo la rivendicazione precedente, in cui il circuito elevatore di tensione (70) è configurato per elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita in funzione di un segnale elettrico proveniente dall’esterno del pacco-batteria.
9. Bicicletta (10) a pedalata assistita da motore elettrico (32) comprendente un pacco-batteria (40), per alimentare il motore elettrico, come definito in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
10. Bicicletta (10) secondo la rivendicazione 9, in cui il pacco-batteria è installato dentro una cavità di un canotto o elemento tubolare (16) che forma il telaio della bicicletta.