IT201800007408A1

IT201800007408A1 - "BATTERY PACK FOR ELECTRIC BICYCLE"

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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” "BATTERY PACK FOR ELECTRIC BICYCLE"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

La presente invenzione si riferisce genericamente ad una batteria elettrica per una bicicletta a pedalata assistita, e alla bicicletta così dotata. The present invention generically refers to an electric battery for a pedal assisted bicycle, and to the bicycle thus equipped.

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. Pedal assisted electric bicycles are equipped with an electric propulsion motor powered by an on-board battery pack. The battery pack is usually a set of batteries connected in series and parallel to obtain the total voltage and amperage required. Almost like a standard, nominal 3.6V cylindrical batteries are used.

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. The battery pack, for reasons of space and weight, is almost universally mounted in the front tube of the bicycle, that is, in the frame tube that connects the pedal box with the handlebar joint. Unfortunately, its position ends up being an inconvenience for the cyclist, who finds an unwanted encumbrance between his knees. And the aerodynamics of the bicycle are also affected, because the massive shape of the tube filled with the battery pack has a very low penetration coefficient shape. Finally, the internal wiring of the battery pack to make the series and parallel connections between the batteries is very complex, and adds a lot of weight.

Scopo principale dell’invenzione è migliorare questo stato dell’arte. The main purpose of the invention is to improve this state of the art.

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. These and other purposes are achieved by a battery pack, preferably integrated in a pedal assisted bicycle, according to claim 1; other advantageous technical characteristics are defined in the dependent claims.

Il pacco-batteria serve per generare una tensione a due terminali di uscita, e comprende The battery pack serves to generate a voltage at two output terminals, and includes

K moduli di generazione di tensione, K >=2, collegati elettricamente tra loro in serie per dare la tensione ai terminali di uscita, K voltage generation modules, K> = 2, electrically connected to each other in series to give voltage to the output terminals,

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 each module including N batteries, N> = 2, electrically connected all together in parallel, where for each module two imaginary parallel planes can be defined on which all the opposite electric poles of the N batteries of the module lie, and

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. the modules are arranged aligned along an axis of the battery pack so that said parallel planes of each module are orthogonal to the axis of the battery pack.

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. This arrangement is very tapered, modular in the output voltage and of reduced overall dimensions. Preferably for the K generation modules, K is 6 or 7.

Preferibilmente ciascuna delle N batterie di un modulo genera una tensione di circa 3,6 V. Preferably each of the N batteries of a module generates a voltage of about 3.6 V.

Preferibilmente per ogni modulo N vale 6 o 7. Preferably, for each module N it is 6 or 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. Preferably in correspondence with the two imaginary parallel planes, each module comprises an electrically conductive plate for short-circuiting all the homologous electric poles of the N batteries.

Preferibilmente le N batterie di uno o ciascuno dei K moduli, sono uguali fra loro. Preferably the N batteries of one or each of the K modules are equal to each other.

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. Preferably the N batteries of one or each of the K modules are arranged according to the vertices of a regular polygon (e.g. a hexagon) or along a circumference, more preferably so as to surround, e.g. touching it, a battery placed in the center of the regular polygon or circumference.

Preferibilmente la serie elettrica dei moduli è realizzata ponendo in serie elettrica tutte le piastre conduttrici dei moduli. Preferably, the electrical series of the modules is made by placing all the conductive plates of the modules in electrical series.

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. Preferably each of the N batteries of the K modules has an axis passing through its two opposite electric poles, and in each K-th module these axes of the N batteries are all parallel to each other.

Preferibilmente tutti gli assi delle N*K batterie contenute nel pacco-batteria sono paralleli fra loro e paralleli all’asse del pacco-batteria. Preferably all the axes of the N * K batteries contained in the battery pack are parallel to each other and parallel to the axis of the battery pack.

Preferibilmente il pacco-batteria comprende un circuito elevatore di tensione per elevare la tensione presente tra detti due terminali di uscita. Preferably, the battery pack comprises a voltage boosting circuit for boosting the voltage present between said two output terminals.

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. Preferably, the voltage booster circuit is configured to raise the voltage present between said two output terminals as a function of an electrical signal from outside the battery pack.

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. Another aspect of the invention relates to an electric motor-assisted pedal bicycle comprising a battery pack, to power the electric motor, as defined in one or each of the previous variants.

In particolare il pacco-batteria è installato dentro la cavità di un canotto o elemento tubolare che forma il telaio della bicicletta. In particular, the battery pack is installed inside the cavity of a tube or tubular element that forms the bicycle frame.

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. In particular, the modules are arranged aligned inside the tube or tubular element so that the axis of the battery pack, that is, that of the modules placed in a row, coincides or is parallel to a longitudinal axis of the tube or tubular element.

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. Preferably, the pedal assisted bicycle comprises an electronic circuit (e.g. a microprocessor) configured to control a voltage boosting circuit, e.g. included in the battery pack, which is able to raise the voltage present between said two output terminals of the battery pack. The electronic circuit is configured to control the input / output conversion ratio of the elevator circuit via an electrical signal, transmitted via cable or wireless.

Ulteriori vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione seguente, che si riferisce ad un esempio di realizzazione preferito in cui: Further advantages will become clear from the following description, which refers to a preferred embodiment in which:

- la figura 1 mostra una vista laterale di una bicicletta elettrica; - figure 1 shows a side view of an electric bicycle;

- la figura 2 mostra una vista schematica di un pacco-batteria; Figure 2 shows a schematic view of a battery pack;

- la figura 3 mostra una vista in pianta di un modulo del pacco-batteria; Figure 3 shows a plan view of a module of the battery pack;

- la figura 4 mostra una batteria vista di lato. - figure 4 shows a side view of a battery.

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. An electric bicycle 10 (fig. 1) is mobile on two wheels 12 coupled by swingarms 26, 28, respectively front and rear, to a central frame 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. The frame 14 is mainly formed by a horizontal tube 20, a front vertical tube 16 and a rear vertical tube 18 which form a sort of triangular structure.

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. A battery pack 40 is mounted in the front tube 16 to power an electric motor 32 which, together with pedals 30, supplies the propulsive torque to the bicycle 10.

La qui descritta struttura della bicicletta 10 è esemplificativa e non va intesa come limitativa per l’ambito dell’invenzione. The structure described herein of the bicycle 10 is exemplary and should not be construed as limiting the scope of the invention.

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. The battery pack 40 can also be installed in different areas of the bicycle 10, e.g. in dinghy 18 or 20, while maintaining its advantages.

Il pacco-batteria 40 ha una struttura circuitale visibile in fig.2. The battery pack 40 has a circuit structure visible 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. It comprises modules 42 placed in a row and connected in series along an X axis, where each module 42 is made up of N batteries 50 (see Fig. 3) of 3.6 V connected in parallel. The number N of batteries 50 connected in parallel inside a module 42 can vary from what is illustrated; and preferably, for maximum modularity, each module 42 comprises the same number N of batteries 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. The number of modules 42 can be variable according to the power required, typically the battery pack 40 will comprise six or seven modules 42. In the first case the total voltage V1 across the six modules 42 is therefore about 22 V. In the second case the total voltage V1 at the ends of the seven modules 42 is therefore about 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. This voltage is then raised to a higher voltage V2 equal to about 36 V, standard value in electric bicycles, by a voltage booster 70, e.g. a boost topology or charge transfer converter.

I componenti elettronici dell’elevatore 70 possono essere alimentati ad es. direttamente dalla tensione V1. The electronic components of the elevator 70 can be powered e.g. directly from the voltage 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. The voltage of the batteries 50 can also vary from the aforementioned 3.6 V, as well as the number of modules 42 put in series and the output voltage V2 can also vary.

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. Fig.3 shows in plan a preferred arrangement of single batteries 50 inside each module 42. Fig.4 shows a single battery 50 seen from the side.

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. There are in total N = 7 batteries 50, eg. cylindrical, all the same and side by side with parallel axes. For compactness, six 50 batteries are arranged at the vertices of a hexagon and surround a central 50 battery. To minimize the overall dimensions, the external batteries 50 are all approached to the central one until they touch it.

Ogni batteria 50 ha uno stesso polo elettrico esposto ad un terminale 52 e ad un terminale opposto 58. Each battery 50 has the same electric pole exposed to one terminal 52 and to an opposite terminal 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. The terminals 52 of the seven batteries 50 are connected in parallel by a conductive plate 60. A similar conductive plate (not shown) is mounted to short-circuit the electrical pole of opposite polarity present on the diametrically opposite terminals 58 of the batteries 50.

Per ottenere la serie di fig.2 basta allora collegare in serie le piastrine dei moduli 42. To obtain the series of fig. 2 it is then sufficient to connect the plates of the modules 42 in series.

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. In the illustrated arrangement, all the plates of the modules 42 are orthogonal to the X axis. The plates 60 lie on two imaginary parallel planes which are orthogonal to the X axis and to an axis X2 which passes through each bank 50 for the terminals 52, 58 ( see fig. 4). Each battery 50 has the X2 axis parallel to the axes of the adjacent batteries, and all the X2 axes are parallel to the X axis.

I vantaggi del pacco-batteria 40 sono molteplici, tra cui: The advantages of the battery pack 40 are many, including:

- 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; - the set of 42 stacked modules is a very tapered and slender object, which resembles a very long cylinder with respect to the base, like a rod. This makes it possible to thin the external shape of the tube in which the pack 40 is mounted, bringing it back to dimensions similar to those of normal, non-assisted bicycles, with immediate advantages of comfort for the cyclist, of aerodynamics for the bicycle 10 and, last but not least, aesthetic;

- 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; - voltage V1 is reached by putting modules 42 in series by arranging them along a single axis. There is therefore no need for complex circuit connections between the modules which weigh down the battery pack and make it expensive to manufacture;

- 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; - the voltage V2 is produced with a smaller or minimum number of batteries 50. Then the weight and volume of the battery pack 40 are reduced with respect to the known battery packs which generate the voltage V2 by exploiting only the battery series 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. - the elevator 70 allows adjustment of the voltage V2, which always remains constant during operation. The known battery packs, on the other hand, suffer from the disadvantage that the voltage V2 drops when it powers the motor 32, the efficiency of which is consequently lowered.

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. Another advantage relates to the possibility of supplying the motor 32 with a voltage higher than the rated voltage provided if the motor rotates at a speed such as to generate a counter-electromotive voltage close to that of the battery. In fact, an electric motor is also a generator and the counter-electromotive force it generates limits the operating range to rpm in which the electromotive force generated by the battery prevails.

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. Often, at higher engine speeds, the control electronics introduce driver corrections, called "weakening", which are in themselves expensive from an energy point of view.

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. Advantageously, this electronics can control, by means of communication on a standard bus (CAN Bus or serial, for example) the boost converter 70 to raise the power supply voltage of the motor 32 avoiding weakening.

Claims

CLAIMS 1. Battery pack (40) for pedal assisted bicycle (10) for generating a voltage with two output terminals, comprising K voltage generation modules (42), K> = 2, electrically connected together in series to give the voltage at the output terminals, each module (42) including N batteries (50), N> = 2, all electrically connected to each other in parallel, where for each module (42) two imaginary parallel planes can be defined on which all the opposite electric poles (52, 58) of the N batteries (50) of a module lie, and the modules (42) are arranged aligned along an axis (X) of the battery pack so that said parallel planes of each module are orthogonal to the axis (X) of the battery pack.

Battery pack (40) according to claim 1, in which for each N module it is 6 or 7, and the N batteries of one or each of the K modules are equal to each other.

Battery pack (40) according to claim 1 or 2, wherein the N batteries of one or each of the K modules are arranged according to the vertices of a regular polygon, e.g. a hexagon, or along a circumference, and so as to surround, eg. touching it, a battery placed in the center of the regular polygon or circumference.

Battery pack (40) according to any preceding claim, in which in correspondence with the two imaginary parallel planes each module (42) comprises an electrically conductive plate (60) to short-circuit all the homologous electric poles (52, 58) of the N batteries.

5. Battery pack (40) according to any preceding claim, in which each of the N batteries of the K modules has an axis (X2) passing through its two opposite electrical poles (52, 58), and in each K-th module these axes (X2) of the N batteries (50) are all parallel to each other.

Battery pack (40) according to any preceding claim, in which all the axes (X2) of the N * K batteries (50) contained in the battery pack (40) are parallel to each other and parallel to the axis (X) of the battery pack.

Battery pack (40) according to any preceding claim, comprising a voltage boosting circuit (70) for boosting the voltage present between said two output terminals.

Battery pack (40) according to the preceding claim, wherein the voltage booster circuit (70) is configured to raise the voltage present between said two output terminals as a function of an electrical signal coming from the outside of the battery pack .

Electric motor assisted pedaling bicycle (10) (32) comprising a battery pack (40), for powering the electric motor, as defined in any one of the preceding claims.

Bicycle (10) according to claim 9, wherein the battery pack is installed inside a cavity of a tube or tubular element (16) which forms the bicycle frame.