IT201600112547A1

IT201600112547A1 - "Apparato di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un autoveicolo comprendente uno stadio di recupero dell’energia e relativo procedimento"

Info

Publication number: IT201600112547A1
Application number: IT102016000112547A
Authority: IT
Inventors: Andrea Nepote; Giordano Greco; Piero Antonio Conti
Original assignee: Magneti Marelli Spa; Sistemi Sospensioni Spa
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-05-08
Also published as: CN108075554A; BR102017023980A2; US20180131222A1; EP3319205B1; US10170927B2; EP3319205A1

Description

"Apparato di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un autoveicolo comprendente uno stadio di recupero dell’energia e relativo procedimento”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un apparato e un procedimento di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un veicolo, in particolare un autoveicolo, comprendente uno stadio di recupero dell’energia, detto sistema di bassa tensione, operante a una prima tensione, comprendendo una batteria che fornisce detta prima tensione su un bus a bassa tensione, un sistema di carica della batteria comprendente un alternatore per fornire una tensione di ricarica a detta batteria, dei carichi del veicolo alimentati dalla batteria e/o dall’alternatore, un sistema di alta tensione, operante a una seconda tensione maggiore di detta prima tensione, detto sistema comprendendo detto stadio di recupero dell’energia del veicolo che fornisce detta seconda tensione, detta seconda tensione essendo fornita attraverso un sistema di immagazzinamento di energia intermedio e un convertitore DC-DC che converte detta seconda tensione in detta prima tensione a detto bus a bassa tensione, comprendente un modulo di controllo configurato per operare operazioni di gestione dell’energia almeno da parte dell’alternatore, la seconda tensione di detto convertitore DC-DC essendo regolata tramite una procedura di controllo di tipo isteretico comprendente un’operazione di comparazione di soglia con isteresi del valore di detta seconda tensione e di attivare o disattivare detto convertitore DC-DC in conseguenza del risultato di detta operazione di comparazione.

Nel campo automobilistico sono noti sistemi di recupero dell’energia. In particolare sono noti sistemi di recupero dell’energia che impiegano ammortizzatori rigenerativi, che provvedono a convertire movimenti dell’ammortizzatore in energia elettrica.

In tale ambito, ad esempio, sono particolarmente interessanti dal punto di vista del rendimento di conversione gli ammortizzatori rigenerativi che prevedono una trasformazione del moto lineare dello stelo in un moto rotatorio dell’albero di un generatore elettrico dal quale è possibile recuperare dunque in forma di elettricità l’energia che andrebbe diversamente dissipata in calore. E’ noto operare tale trasformazione tramite mezzi meccanici o idraulici in modo che la rotazione dell’albero del generatore elettrico avvenga sempre nello stesso verso di rotazione, indipendentemente dal verso della velocità dello stelo. Ciò consente una migliore efficienza di conversione dell’energia, da cinetica a elettrica. Il generatore elettrico è usualmente un generatore in continua, DC, che fornisce una tensione continua in uscita. Se invece viene impiegato un generatore sincrono, si impiega un inverter. In entrambi i casi è comunque necessario impiegare un convertitore DC-DC per adattare la tensione di uscita del generatore elettrico alla batteria del veicolo, in particolare autoveicolo.

E’ altresì noto impiegare uno stadio di conversione da tensione alta a tensione bassa, specificamente un convertitore DC-DC che viene controllato in tensione d’uscita, per adattarsi alla batteria, analogamente al regolatore di un alternatore.

In figura 1 è mostrato uno schema rappresentativo di un modello elettro-meccanico di un apparato di recupero dell’energia noto, complessivamente indicato con il riferimento numerico 10. Con 11 è indicato un albero di un generatore elettrico 12, cui sono associati una velocità angolare �<�>e una coppia � . Rogindica la resistenza d’uscita del generatore elettrico 12, ad esempio un generatore in continua, mentre con Reè indicata la resistenza equivalente dei circuiti della porzione di apparato a valle del generatore elettrico 12, ossia la resistenza vista dal generatore elettrico 12, tale resistenza equivalente Re essendo regolata ad esempio dal sopra menzionato inverter. Con Vogè indicata la tensione a vuoto del generatore elettrico 12, con Igè indicata la corrente del generatore 12, con VinDCDCla tensione che si forma sulla resistenza equivalente Re.

Pertanto, da quanto finora discusso consegue che è possibile controllare lo smorzamento dell’ammortizzatore agendo sulla resistenza equivalente Revista dal generatore elettrico 12, ma il fatto di dover agire sulla resistenza equivalente Reper controllare lo smorzamento impedisce tuttavia di operare, come in altri sistemi di energy harvesting, adattando l’impedenza del convertitore DC-DC all’impedenza di uscita del generatore elettrico 12 per massimizzare il trasferimento di potenza.

In figura 2 è mostrato un apparato di gestione della carica di una batteria 14, indicato nel suo complesso con il riferimento numerico 90.

Tale apparato di gestione della carica di una batteria comprende un stadio di recupero dell’energia 30 comprendente una pluralità di ammortizzatori rigenerativi 12, in particolare quattro ammortizzatori rigenerativi, associati a rispettivi convertitori da corrente alternata a corrente continua in forma di inverter 13, le cui uscite sono riunite in unico nodo d’uscita dello stadio di recupero dell’energia 30.

Il nodo d’uscita dello stadio di recupero dell’energia 30 corrisponde sostanzialmente a un bus ad alta tensione HV sul quale si formano una tensione VinDCDC, che è la tensione dal lato continua, o DC, degli inverter 13 e una corrente di uscita dall’inverter IoutINVche è la somma delle quattro correnti all’uscita degli inverter 13. La tensione VinDCDCdel bus ad alta tensione HV è portata all’ingresso di uno stadio di conversione da tensione alta a tensione bassa 50, che nell’esempio comprende un convertitore DC-DC 23, sul quale è posto in parallelo all’ingresso un elemento di accumulo, ossia una capacità, CDC.In forme varianti l’elemento di accumulo può essere una batteria. Nel convertitore DC-DC 23 entra una corrente d’ingresso IinDCDCche è pari alla corrente di uscita dall’inverter IoutINVmeno la corrente che scorre nell’elemento di accumulo CDC. Naturalmente nel presente contesto la tensione sul bus HV è definita alta rispetto alla tensione all’altro capo del convertitore DC-DC 23, sul bus a bassa tensione LV, che è invece a una tensione più bassa, ed in generale corrisponde alla tensione dei sistemi elettrici del veicolo, usualmente 12V.

Nei sistemi come quello descritto in cui un sistema a più alta tensione è connesso a mezzo di un convertitore a un sistema a più bassa tensione, in particolare ai sistemi elettrici collegati alla batteria del veicolo, il bus ad alta tensione HV viene nel seguito chiamato bus DC-link e l’elemento di accumulo CDCviene chiamato capacità DC-link, in quanto la ge La capacità DC-link corrisponde in generale al condensatore connesso all’ingresso del convertitore DC-DC 23, dove giunge la tensione continua da convertire a una tensione più bassa. La capacità DC-link è di solito ottenuta tramite un condensatore elettrolitico o a film che provvede a disaccoppiare l’ingresso del convertitore DC-DC.

Tale capacità DC-link CDCnell’esempio descritto realizza uno stadio di accumulo d’energia intermedio 40 all’ingresso del convertitore DC-DC 23. La tensione del bus DC link ha ad esempio un valore di 48V.

Un convertitore DC-DC 23 è pilotato in modo da controllare contemporaneamente la tensione d’ingresso su tale condensatore di accumulo CDCe una corrente d’uscita IoutDCDCverso il bus a bassa tensione LV, ossia i circuiti a valle dell’uscita del convertitore DC-DC 23. Tale convertitore DC-DC 23 è generalmente un semplice regolatore di tensione limitato in corrente. L’impostazione della corrente d’uscita avviene nel convertitore DC-DC 23 sulla base dell’informazione relativa al set-point di tensione batteria originata dalla centralina in cui risiede l’Energy Management e generalmente disponibile sulla rete di interconnessione del veicolo LIN (Local Interconnect Network). La batteria 14 è connessa anche un alternatore 60 che le applicata una tensione di ricarica VALT. Una centralina 70 del veicolo, in particolare la centralina di controllo motore, applica delle strategie di Energy Management tramite corrispondenti segnali di Energy Management EM inviati all’alternatore 60. Tali strategie di Energy Management risiedono in tale centralina 70, in particolare regolando la tensione di ricarica VALTfornita dall’alternatore 60. Alternatori con tensione di ricarica controllabile esternamente di questo tipo vengono definiti di solito Smart Alternator.

L’apparato mostrato in figura 2 presenta alcuni inconvenienti.

In primo luogo risulta difficile controllare il bus a bassa tensione di veicolo in presenza di più dispositivi di generazione, quali sono l’alternatore e gli ammortizzatori rigenerativi, mantenendosi in accordo con le strategie esistenti di Energy Management, ossia con la tensione impostata dallo Smart Alternator sotto il controllo di segnali di comando di Energy Management inviati dalla centralina motore. Allo stesso modo è difficile gestire il convertitore DC-DC in modo da regolare contemporaneamente la corrente (e tensione) d’uscita e la tensione d’ingresso.

E’ anche difficoltoso controllare l’apparato quando non sia disponibile ai moduli di controllo, ad esempio le centraline, il set-point di tensione di batteria, come avviene se l’alternatore è di tipo classico, senza possibilità di controllo esterno, oppure ci si trova in una fase di accelerazione, dove il set-point di tensione, anche se esiste, non può essere utilizzato come tale.

Un problema in particolare è rappresentato dai casi in cui la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia è maggiore della potenza erogata in uscita dal convertitore DC-DC, sicché l’unica possibilità è disattivare il convertitore DC-DC.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di ottenere un apparato e procedimento perfezionati che permettano di superare gli inconvenienti sopra citati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad un apparato nonché a un corrispondente procedimento aventi le caratteristiche richiamate in modo specifico nelle rivendicazioni che seguono.

L’invenzione verrà descritta con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la Figura 1 e 2 sono già state descritte in precedenza;

- le Figure 3A e 3B rappresentano un diagramma di flusso illustrativo di una forma del procedimento di gestione qui descritto;

- la Figura 4 mostra un diagramma rappresentativo di correnti e potenze impiegate dal procedimento di gestione qui descritto;

- la Figura 5 rappresenta schematicamente un esempio di convertitore DC-DC impiegato dall’apparato qui descritto;

- la Figura 6 rappresenta andamenti di correnti nel convertitore di Figura 5;

- la Figura 7 è uno schema a blocchi di una forma realizzativa dell’anello di controllo implementato dall’apparato descritto;

- le Figura 8A, 8B e 8C dettagliano il sistema di immagazzinamento dell’energia e i segnali che vi si formano;

- la Figura 9 rappresenta uno schema della porzione ad alta tensione di una forma variante dell’apparato qui descritto;

- la Figura 10 rappresenta segnali di controllo e segnali che si formano nell’apparato di figura 12;

- la Figura 11 rappresenta schematicamente un circuito di carico aggiuntivo impiegato nella soluzione di Figura 9;

- la Figura 12 rappresenta un dettaglio circuitale di un circuito di carico aggiuntivo impiegato nella soluzione di Figura 9;

- la Figura 13 rappresenta un dettaglio circuitale di una forma variante del circuito di carico aggiuntivo impiegato nella soluzione di Figura 9.

In breve, la soluzione secondo l’invenzione si riferisce a un apparato di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un veicolo comprendente uno stadio di recupero dell’energia,

detto sistema di bassa tensione, operante a una prima tensione, comprendendo

una batteria che fornisce detta prima tensione su un bus a bassa tensione

un sistema di carica della batteria comprendente un alternatore per fornire una tensione di ricarica a detta batteria,

dei carichi del veicolo alimentati dalla batteria e/o dall’alternatore,

detto veicolo comprendendo un sistema di alta tensione, operante a una seconda tensione maggiore di detta prima tensione, detto sistema comprendendo detto stadio di recupero dell’energia del veicolo che fornisce detta seconda tensione,

detta seconda tensione essendo fornita attraverso un sistema di immagazzinamento di energia intermedio a un convertitore DC-DC che converte detta seconda tensione in detta prima tensione a detto bus a bassa tensione,

detto apparato comprendendo a un modulo di controllo configurato per operare operazioni di gestione dell’energia almeno da parte dell’alternatore,

la seconda tensione di detto convertitore DC-DC essendo regolata tramite una procedura di controllo di tipo isteretico comprendente un’operazione di comparazione di soglia con isteresi del valore di detta seconda tensione e un’operazione di attivazione o disattivazione di detto convertitore DC-DC in conseguenza del risultato di detta operazione di comparazione.

Secondo un aspetto principale della soluzione qui descritta, l’apparato di gestione comprende un carico aggiuntivo posto in parallelo all’ingresso del convertitore connettibile selettivamente al bus ad alta tensione, e, se la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia è maggiore di una potenza assorbita dal convertitore, l’apparato è configurato per mantenere il convertitore DC-DC sempre attivato, con una limitazione di corrente, e per selezionare la connessione del carico aggiuntivo secondo una ulteriore procedura di controllo isteretico, in particolare basata sulla tensione sull’elemento di accumulo o sullo stato di carica.

La soluzione dunque si riferisce principalmente alla regolazione della tensione sull’elemento di accumulo che corrisponde sostanzialmente alla tensione del bus ad alta tensione in ingresso al convertitore DC-DC 23.

Si descrive qui tuttavia dapprima la soluzione con riferimento alla regolazione della corrente d’uscita del convertitore DC-DC sul sistema a bassa tensione che comprende la batteria 14 e l’alternatore 60.

Secondo la soluzione qui descritta, l’alternatore 60 è in una forma realizzativa preferita di tipo Smart Alternator, ossia è un alternatore che può variare la propria tensione di ricarica VALT, fornendola. La tensione di ricarica VALTè fornita sulle reti di comunicazioni dell’autoveicolo tramite i segnali di controllo inviati dalla centralina 70 del veicolo, in particolare di segnali di Energy Management. La soluzione qui descritta può applicarsi tuttavia anche a forme varianti in cui si impieghi un alternatore convenzionale. L’alternatore convenzionale come noto ha un suo riferimento interno di tensione da mantenere. Un valore target di tensione di batteria non è quindi disponibile sulle reti di comunicazioni dell’autoveicolo, ma è previsto ad esempio di stimare tale valore target sulla base dell’osservazione nelle fasi recenti in cui non ci sia trasferimento di energia dal convertitore DC-DC. In altre parole, l’apparato è configurato per rilevare un’informazione sulla tensione regolata, stimando il valore di una tensione di ricarica VALTdella batteria 14 rilevandone il valore in una o più fasi di lavoro dell’apparato 90 in cui non ci sia trasferimento di energia dal convertitore DC-DC 23.

Tale alternatore 60, che nell’esempio descritto è uno Smart Alternator, sotto il controllo della centralina 70 è configurato per operare in tre modalità di funzionamento, di solito legate a differente condizioni di lavoro dell’autoveicolo.

Una prima modalità di funzionamento normale prevede che l’alternatore 60 regoli la tensione della batteria 14 a un valore di lavoro nominale, operando tale regolazione a un valore nominale dipendente ad esempio dalla temperatura e per rispondere a variazioni del carico. Tale prima modalità di funzionamento normale è di solito associata a determinate condizioni di stato di carica della batteria definita, specificamente con uno stato di carica fra il 70 e l’80%. La prima modalità di funzionamento normale è implementata pilotando l’alternatore 60 tramite i segnali di Energy Management EM, in particolare fornendo come indicazione di valore di lavoro nominale per ottenere un riferimento di batteria di 12V nominali, ad esempio un valore di tensione di ricarica VALTdi 13.8V, che l’alternatore 60 opera per mantenere in funzione di variazione di altri parametri come i carichi. E’ questa in generale la modalità di funzionamento prevalente, associata a condizione di marcia a velocità sostanzialmente costante, dove le variazioni sono per lo più legate a variazioni dei carichi.

Una seconda modalità di funzionamento, detta qui di frenata perché di solito impiegata con l’autoveicolo in condizioni di frenata, prevede che l’alternatore 60, ad esempio in condizioni di frenata e di coasting, regoli la tensione della batteria a un valore aumentato di tensione di batteria rispetto alla bassa tensione del bus a bassa tensione, ad esempio 15V.

Una terza modalità di funzionamento detta qui di accelerazione perché di solito impiegata con l’autoveicolo in condizioni di accelerazione prevede che l’alternatore 60 in condizioni di accelerazione a ricarica disabilitata regoli la tensione di batteria a un valore lievemente inferiore rispetto alla tensione del bus a bassa tensione, in particolare, ad esempio, 11.8V per un bassa tensione di 12V.

Strategie di Energy Management, che sono memorizzate in e comandate da una centralina, cioè un dispositivo comprendente almeno un processore, dell’autoveicolo, (normalmente quella di controllo motore), legano le condizioni di marcia, in particolare le tre sopramenzionate di marcia normale, frenata e accelerazione, alle tre modalità di funzionamento, sono in generale di per sé note al tecnico del settore e non verranno descritte in dettaglio.

L’uscita di tale strategia di Energy management è un riferimento di tensione di batteria Vbat_refreso disponibile (normalmente sulla rete di interconnessione fra componenti del veicolo LIN) dalla centralina 70 ed utilizzato dallo Smart Alternator 60.

Come accennato, la strategia attuata dalle procedure di Energy management EM risiede normalmente nella centralina di controllo motore (o ECU, Engine Control Unit) ma potrebbe risiedere altrove, ad esempio nel Body Computer dell’autoveicolo. Il modulo controllato attraverso le procedure di Energy Management EM nella centralina 70 è di solito unicamente lo Smart Alternator 60, che riceve il riferimento di tensione di batteria Vbat_ref.

La soluzione qui descritta invece prevede di fornire tale riferimento di tensione di batteria Vbat_refanche al convertitore DC-DC 23 che lo impiega per implementare un procedimento di controllo, preferibilmente in un proprio modulo di controllo logico, per selezionare una procedura di regolazione della tensione e corrente di uscita del convertitore DC-DC fra le procedure di regolazione 200, 300 e 400 disponibili a tale convertitore DC-DC.

A questo riguardo, in figura 3A è mostrato un diagramma di flusso rappresentativo del procedimento gestione dell’energia 100 qui descritto, in cui, in un passo 110 viene operata l’acquisizione del riferimento di tensione di batteria Vbat_refdefinito in base alla strategia di Energy Management EM sopra descritta, che definisce la prima, seconda o terza modalità di funzionamento dello Smart Alternator 60, memorizzata in una centralina 70, normalmente quella di controllo motore.

Dunque, come mostrato in figura, in un passo 120 è previsto di verificare il valore del riferimento di tensione di batteria Vbat_ref.

Se tale valore corrisponde al valore nominale della bassa tensione, ad esempio è maggiore di 11.8V e minore di 15V, è previsto di operare una prima procedura di regolazione 200.

Se tale valore è lievemente inferiore rispetto alla tensione del bus a bassa tensione, ad esempio vale 11.8V per una bassa tensione di 12V, è previsto di operare una seconda procedura di regolazione 300.

Dunque, in generale, la tensione che dà origine alla procedura 200 è minore della tensione che determina la procedura di regolazione 300 e maggiore di quella che determina la procedura di regolazione 400.

Se tale valore è un valore aumentato di tensione di batteria rispetto alla bassa tensione del bus a bassa tensione, ad esempio 15V, è previsto di operare una terza procedura di regolazione 400.

La prima procedura di regolazione 200 e le altre procedure 300, 400 determinano l’integrazione del modulo di recupero energia 30, o Energy Harvesting, agendo anche sul convertitore DC-DC 23, ossia sullo stadio 50, in funzione di valori, in particolare il riferimento di tensione di batteria Vbat_ref, forniti dalle strategie di Energy Management EM già esistenti per controllare il lato a bassa tensione, più specificamente l’alternatore 60. Tali strategie possono naturalmente essere a livello veicolo più complesse.

Il convertitore DC-DC 23 deve acquisire, ad esempio tramite la rete di interconnessione LIN, oltre al riferimento di tensione di batteria Vbat_refdalla centralina ove risiede l’Energy Management, nell’esempio la centralina 70 di controllo motore, acquisito nel passo 110, altri valori che servono per eseguire le procedure di regolazione 200, 300, 400. In particolare vengono acquisiti i set-point di corrente dagli inverter 13 più altre informazioni presenti sul Bus CAN, ad esempio quali siano i carichi attivati. Il convertitore DC-DC 23 deve inoltre misurare la tensione d’ingresso e di uscita per effettuare le regolazioni.

Come accennato, preferibilmente il convertitore DC-DC 23 è autoregolato, ossia contiene un modulo di controllo logico, ad esempio un microprocessore che, sulla base degli ingressi appena elencati, implementa il procedimento 100, in particolare i passi 110 e 120 e le procedure 200, 300 o 400. Alternativamente al modulo di controllo logico interno al convertitore DC-DC 23, vi può essere un modulo di controllo esterno che opera le procedure 200, 300, 400 sempre in funzione delle informazioni agli ingressi sopra elencati.

La prima procedura di regolazione 200 provvede la regolazione nel contesto di una strategia di Energy Management EM come quella della prima modalità di funzionamento normale che tiene conto ad esempio della temperatura, in particolare in condizioni di stato di carica del 70-80%, e indica un riferimento di tensione pari al valore nominale della bassa tensione. La condizione di stato di carica del 70-80% è quella ottimale per il recupero rigenerativo, in particolare in frenata.

Dunque, la prima procedura 200 di regolazione si occupa di far sì che il modulo di recupero energia 30 riversi sul bus a bassa tensione una potenza senza innalzare il livello di tensione Vbatdella batteria 14 impostato dallo Smart Alternator 60, in particolare senza innalzarlo rispetto al valore nominale di tensione di ricarica VALT, ad esempio 13,8 V.

Ciò sarebbe possibile impostando il convertitore DC-DC un valore di set-point di tensione, cioè della tensione di uscita VoutDCDCdel convertitore DC-DC 23, di poco maggiore rispetto al valore di tensione di batteria Vbatdato dai segnali di Energy Management EM provenienti dalla centralina 70. Tuttavia ciò significherebbe non caricare la batteria 14 in accordo con le strategie di veicolo, in particolare essa verrebbe caricata ad una tensione e corrente maggiore.

In tale ambito la prima procedura 200 di regolazione, indicata schematicamente nel diagramma di flusso di Figura 3B, comprende invece:

- un’operazione 210 in cui si stima una corrente ILSrichiesta dai carichi del veicolo;

- un’operazione 220 in cui si calcola il valore determinato dal rapporto della potenza fornita dall’inverter 13, PoutINVe la tensione di batteria Vbate;

- un’operazione 230 in cui si considera un valore fisso predeterminato IF, che permette il dimensionamento del convertitore DC-DC 23 ad un determinato valore di potenza media trasferibile, ossia il valore massimo per il quale è dimensionato il convertitore.

I passi 210, 220, 230 vengono eseguiti in parallelo e forniscono il loro risultato, i valori di corrente ILSPoutINV/ Vbate IF, a un passo 240 che prevede di valutare poi quale sia il minimo tra i tre valori ILS, PoutINV/Vbate IF.In un passo 250 quindi si seleziona per l’esecuzione un’operazione di limitazione da parte del convertitore DC-DC 23 della corrente di uscita IoutDCDCa quello fra i tre valori di corrente ILS, PoutINV/Vbate IFche presenta il valore minimo, ossia si limita la corrente di uscita al minimo di tali tre valori.

In particolare nel passo 250:

- se la corrente ILSrichiesta dai carichi del veicolo è la corrente di valore minimo, il convertitore DC-DC 23 limita la corrente d’uscita IoutDCDCad un valore corrispondente a tale stima di corrente richiesta ILS.In tal modo il convertitore DC-DC 23 eroga solo parte della corrente necessaria ai carichi del veicolo, mentre la batteria 14 continua ad essere alimentata dallo Smart Alternator 60 alla tensione fissata dall’Energy Management di veicolo. Tale limitazione garantisce la corretta tensione di batteria Vbatin quanto in tutte le situazioni la corrente di ricarica è gestita dall’alternatore 60;

- se la corrente data dal rapporto PoitINV/Vbatè la corrente di valore minimo, si limita la corrente di uscita IoutDCDCdel convertitore DC-DC 23 al valore di tale rapporto PoitINV/Vbat. Infatti, in particolare a bassi livelli di potenza in ingresso, PinDCDC, la limitazione alla corrente stimata ILSdel passo 210 può essere eccessiva, provocando una scarica troppo rapida dell’elemento di accumulo, il condensatore CDC, e di conseguenza una elevata frequenza di accensione e spegnimento del convertitore DC-DC 23. Questo determina una criticità del fattore di forma: la potenza viene trasferita in modo fortemente pulsato. Si migliora il comportamento in queste situazioni introducendo una limitazione della corrente d’uscita IoutDCDCal valore PoutINV/Vbatche imposta la minima corrente d’uscita utile al trasferimento completo della potenza in ingresso PinDCDC. Ciò migliora il fattore di forma. La potenza in ingresso PinDCDCè ricavabile dalla lettura della tensione VinDCDCsul bus a alta tensione HV e dalla somma delle correnti IinDCDCimpostate per i quattro inverter 13

- se la corrente data dal valore fisso predeterminato IFè la corrente di valore minimo, si opera una limitazione della corrente di uscita IoutDCDCdel convertitore DC-DC 23 a tale valore.

Per ogni valore di corrente di carico esiste una potenza d’ingresso PinDCDCcritica alla quale nel passo 250 si opera la commutazione del tipo di limitazione.

In figura 4 è mostrato l’andamento della corrente d’uscita IoutDCDCin funzione della potenza di uscita degli inverter 13, PoutINVcon il procedimento 100.

La curva IoutDCDCmax(corrispondente alla corrente fissa IF) è la limitazione in corrente del convertitore DC-DC 23 nella terza procedura 400. È attiva quando la potenza di uscita Poutinvdegli inverter e la corrente ILSrichiesta dai carichi del veicolo sono elevati.

La curva Poutinv/Vbatseguita dalla seconda procedura 300 rappresenta la condizione di equilibrio tra potenza entrante e potenza in uscita. Al di sopra della curva il convertitore DC-DC 23 tende ad erogare più potenza di quella rigenerata quindi verrà periodicamente disabilitato per equilibrare le potenze medie. Al di sotto della curva il convertitore DC-DC 23 eroga meno potenza rispetto a quella entrante causando la carica dell’elemento di accumulo CDCed il conseguente aumento della tensione sul Bus DCLink.

La curva ILSrappresenta la stima dei carichi elettrici di veicolo. Al di sotto della curva la batteria è regolata dall’alternatore. Al di sopra di essa il convertitore DC-DC 23 può contribuire alla carica della batteria con il rischio di caricarla ad una tensione maggiore di quella impostata dall’Energy Management (sebbene il convertitore DC-DC 23 sia limitato in tensione d’uscita ad un valore di poco superiore a quello dell’Energy Management).

Le curve Poutinv/Vbate ILSvariano, nel senso indicato dalle frecce, con il variare della potenza proveniente dagli inverter 13, con la situazione dei carichi vettura nonché con il valore della tensione di batteria. Tali grandezze vengono quindi costantemente acquisite onde impostare il valore ottimale di corrente d’uscita del DC-DC 23. La curva tratteggiata rappresenta la strategia proposta.

Dunque, al di sopra della potenza critica gli ammortizzatori 12 generano una potenza superiore a quella che è possibile erogare al sistema elettrico di veicolo in accordo con le impostazioni di Energy Management EM. Tali impostazioni sono tuttavia garantite dalla limitazione di corrente secondo la procedura 200 appena descritta.

In figura 3A è mostrato anche il dettaglio della seconda procedura di regolazione 300 da operare preferibilmente in caso di frenata e coasting, ossia la decelerazione del veicolo quando viene tolta potenza, dunque in occasione della seconda modalità 120.

In tali circostanze, l’energia recuperata dal modulo di recupero energia 40 va a sottrarsi a quella recuperabile dalla decelerazione. Si ipotizza di immagazzinare finché possibile e successivamente riversare. In quest’ultima fase il comportamento del convertitore DC-DC 23 è come nella procedura di regolazione 200, ma con tensione maggiore.

L’impostazione ad un valore elevato di tensione di batteria Vbatindica nell’esempio qui descritto la fase di recupero dell’energia cinetica in decelerazione o frenata. In tale situazione il convertitore DC-DC 23 può essere temporaneamente disabilitato e l’energia viene immagazzinata nell’elemento di accumulo CDC. In tal modo è possibile rilasciare in un istante successivo alla fase di decelerazione l’energia recuperata dagli ammortizzatori 12 evitando che questa vada a sottrarsi a quella cinetica. Le tempistiche, ossia quanto distano temporalmente le fasi di disattivazione e attivazione del convertitore DC DC 23, dipendono dalla capacità d’immagazzinamento dell’elemento di accumulo CDC, quindi la strategia è convenientemente applicabile ad esempio nel caso di batteria Li-Ion. E’ previsto di rilasciare applicando una tensione di poco maggiore, ad esempio di 15.1V, rispetto al valore del riferimento fornito dalla strategia di Energy Management (ad es. 15V) e limitando la corrente d’uscita al valore di corrente di carico stimata ILScome nel passo 210 della procedura 200.

Dunque, con riferimento al diagramma di figura 3A, la seconda procedura di regolazione 300 prevede, quando viene ad esempio rilevata una decelerazione suscettibile di essere assoggettata a una procedura di recupero di energia cinetica da decelerazione, in particolare da frenata o coasting, di eseguire, sempre sotto il controllo della centralina 70, un’operazione 310 di disabilitazione del funzionamento del convertitore DC-DC 23, immagazzinando nello stadio di accumulo 40 l’energia proveniente dallo stadio di recupero dell’energia 30. Quindi, dopo un intervallo di tempo T, la cui lunghezza è dipendente ad esempio dalla capacità d’immagazzinamento dell’elemento di accumulo CDC, è previsto di eseguire un’operazione di riattivazione 320 del funzionamento del convertitore DC-DC 23 trasferendo l’energia immagazzinata nello stadio di accumulo 40.

La lunghezza dell’intervallo di tempo è dipendente dalla capacità d’immagazzinamento dell’elemento di accumulo CDCin quanto è ad esempio il tempo necessario a tale elemento di accumulo CDCper raggiungere un valore di soglia di tensione ai capi di tale elemento di accumulo CDC, ossia sul bus DClink.

Si noti che nel caso l’operazione di riattivazione 320 del funzionamento del convertitore DC-DC 23 non sia sufficiente, intervengono le attivazioni dei carichi aggiuntivi, come descritto nel seguito.

Come indicato in precedenza, in aggiunta alla prima procedura di regolazione 200 è prevista inoltre una terza procedura di regolazione 400 da operare preferibilmente in condizioni di accelerazione, con ricarica disabilitata.

Il convertitore DC-DC 23 può riversare potenza nella batteria 14 regolando su di essa una tensione minore o uguale al valore nominale impostato dallo Smart Alternator 60 nell’ambito delle fasi di regolazione su cui opera la procedura 200. In questo caso viene particolarmente valorizzato il contributo del modulo di recupero dell’energia 30 attraverso il convertitore 23 in quanto consente di limitare il deficit energetico conseguente alla disabilitazione dello Smart Alternator 14.

La terza procedura di regolazione 400 prevede, leggendo sulla rete LIN un valore di riferimento di tensione Vbat_refbasso fornito dall’Energy Management, ad esempio 11.8V, con la finalità di inibire la ricarica della batteria da parte dello Smart Alternator 60, ad esempio quando sia rilevato l’occorrere della condizione di accelerazione con ricarica disabilitata, di eseguire dal parte del convertitore DC-DC 23 un’operazione di impostazione della propria tensione d’uscita un valore stimato di tensione di batteria Vbats. Tale valore stimato Vbatsè stimato ad esempio basandosi sulla storia recente delle impostazioni, esempio calcolando un valor medio delle ultime n impostazioni. È possibile introdurre un fattore di sicurezza impostando ad esempio un valore pari al 90% della stima, per evitare una carica eccessiva della batteria.

Nelle fasi in cui nella terza procedura 400 il convertitore DC-DC 23 è disabilitato, ossia la tensione sul bus DCLink è sotto la soglia, sussiste il regime di deficit energetico con conseguente calo della tensione di batteria Vbatal di sotto del valore di tensione di circuito aperto.

In alternativa il convertitore DC-DC 23 può essere configurato o controllato per attuare una strategia di carica dedicata che replica le strategie di Energy Management di veicolo acquisendo quindi tensione, corrente, temperatura e SOC di batteria dal sensore di stato carica. In altre parole, il convertitore DC-DC 23 elabora le proprie strategie di Energy Management sostituendole alle strategie di veicolo qualora queste ultime consistano nel disabilitare lo Smart Alternator 60 secondo la procedura 400.

Dopo aver descritto le procedure 200, 300, 400 di regolazione viene ora descritto un corrispondente anello di controllo implementato dall’apparato descritto in Figura 1.

In generale il convertitore DC-DC 23 deve erogare corrente in accordo con le modalità precedentemente descritte e nel contempo garantire la stabilità del bus DC-link, in modo che si mantenga la sua tensione all’interno di un range determinato.

La regolazione dell’uscita avviene tramite un anello interno di corrente (sempre attivo) più un anello esterno di tensione (attivo solo in talune modalità operative). Sono presenti limitazioni di corrente e tensione massima in tutte le modalità.

In figura 5 è mostrato uno schema di maggiore dettaglio esempio di un convertitore 23 di tipo buck.

Il convertitore DC-DC 23 comprende una capacità d’ingresso Cin, connessa fra il morsetto nel quale va in ingresso la corrente d’ingresso IinDCDC, e la massa. La capacità d’ingresso Cinpuò essere separata dall’elemento di accumulo CDCda un filtro. Su tale capacità d’ingresso Cinè presente la caduta di tensione d’ingresso VinDCDC. Un interruttore Q in serie separa il morsetto d’ingresso del convertitore 23 da un diodo D, disposto fra interruttore Q e massa, con l’anodo verso massa. Al catodo del diodo D è connesso un morsetto d’ingresso di un induttore di immagazzinamento e filtraggio L attraverso il quale scorre la corrente di induttore IL. Fra il morsetto di uscita dell’induttore L e massa è connesso un condensatore di uscita, Cout, in parallelo alla batteria 14, che riceve la corrente in uscita dal morsetto di uscita, IoutDCDC, e la tensione di uscita VoutDCDCal medesimo morsetto d’uscita. Il condensatore di uscita Coutpuò alternativamente essere separato dalla batteria 14 da un filtro.

In figura 6 sono mostrate le correnti IQ, IL, IDnell’interruttore Q, nell’induttore L e nel diodo D durante gli stati di chiusura (corrente IQmaggiore di zero) e apertura dell’interruttore Q. Variando tali stati si variando tali stati si ottiene la regolazione in corrente dell’anello interno del DC-DC Converter per implementare quindi la regolazione delle procedure 200, 300, 400.

In figura 7 è mostrato uno schema a blocchi dell’anello di controllo implementato dall’apparato secondo l’invenzione, relativamente alla prima procedura di regolazione 200. Tale anello di controllo viene implementato in un modulo di controllo che preferibilmente risiede nel convertitore DC-DC 23.

Il valore di riferimento di tensione di batteria Vbat_ref, impostato dall’Energy Management nella centralina 70 secondo la prima modalità normale (quella che attiva la procedura 200), aumentato di una quantità �, viene inviato a un nodo sommatore dell’anello di tensione che calcola l’errore fra il valore di riferimento di tensione di batteria Vbat_ref aumentato di una quantità � e la tensione di uscita VDCDCnell’anello di regolazione esterno 24.

Tale errore è fornito a una rete di compensazione con guadagno Gcomp che opera l’amplificazione e la compensazione per generare un riferimento di corrente nell’induttore ILREFcome segnale di riferimento per un anello interno 25, realizzato con tecniche di modulazione ciclo per ciclo, ad esempio isteretico, peak current mode o altro, che è volto a regolare la corrente ILche scorre nell’induttore L, limitando in definitiva la corrente di uscita IoutDCDC.

Tale corrente nell’induttore ILsi traduce infatti in una tensione d’uscita VoutDCDC secondo una funzione di trasferimento GDCDCdel convertitore 23, la cui forma dipende dunque dalla topologia di convertitore impiegata. Nel caso d’esempio si tratta di una topologia di tipo buck.

Fra la rete di compensazione Gcomp e l’anello di corrente è indicato un blocco 27 in cui viene valutato il minimo secondo l’operazione 240 e selezionato il valore limite di corrente di uscita, fra Pin/Vbat+ �’, dove la quantità �’ è una rispettiva maggiorazione di corrente, ILSe IF, che viene poi fornito all’anello di corrente più interno 25.

Fino ad ora è stata descritto come il convertitore DC-DC opera delle regolazioni della propria tensione e corrente in uscita, in risposta a diverse impostazioni di tensione di carica della batteria da parte delle strategie di Energy Management.

Viene ora descritto invece un aspetto principale della soluzione qui descritta, relativo a una procedura di regolazione della tensione VinDCDCsul bus DC-link, ossia la tensione sull’elemento di accumulo CDC, che si pone invece all’ingresso del convertitore DC-DC.

Tale tensione VinDCDCviene preferibilmente regolata secondo una modalità isteretica.

Al fine di comprendere le problematiche del controllo della tensione d’ingresso del convertitore e sul bus DC-link, già accennate in precedenza, in figura 8A è schematizzando l’elemento di accumulo CDC, inclusivo di una propria resistenza serie RESR. A lato, nelle figure 8B e 8C sono indicati:

- l’andamento in funzione del tempo t della corrente Icnell’elemento di accumulo CDC,che è eguale alla differenza fra la corrente dell’inverter 13 o totale degli inverter 13 Ioutinv, come in figura 1, sul bus ad alta tensione HV, e la corrente in ingresso al convertitore 23 IinDCDC;

- l’andamento in funzione del tempo t della caduta di tensione sull’elemento di accumulo CDCe comprensiva della resistenza serie RESRche corrisponde alla tensione d’ingresso VinDCDCdel convertitore 23.

La corrente totale IoutINVproveniente dagli inverter 13 ha un carattere fortemente pulsato a causa della strategia di controllo dello smorzamento. La tensione sul bus ad alta tensione HV, o bus DClink, riflette tale comportamento e può presentare delle sovratensioni. Tali sovratensioni sono di due tipologie:

- picchi PK dovuti alla caduta sulla resistenza serie RESR;

- innalzamento progressivo della tensione media (una deriva di tensione crescente DV rappresentato da una retta tratteggiata in figura 8C) dovuta allo sbilanciamento tra corrente d’uscita Ioutinvproveniente dagli inverter 13 e corrente d’ingresso IinDCDCal convertitore DC-DC 23.

Al fine di superare tali problematiche, in figura 12 è mostrato uno schema di parte del circuito relativo al lato del bus ad alta tensione HV. Lo stadio di recupero dell’energia 30 è schematizzato attraverso un generatore di corrente che invia la corrente di uscita IoutINVdello stadio 30, ossia la corrente di uscita degli inverter 13. Una porzione Ic della corrente di uscita IoutINVscorre nell’elemento di accumulo CDC, ossia il condensatore. La caduta sull’elemento di accumulo CDCcorrisponde alla tensione del bus ad alta tensione, VDClink.

E’ previsto, secondo la soluzione qui descritta, di prevedere anche un carico aggiuntivo, ossia un elemento dissipativo, indicato con Rext, in parallelo all’elemento di accumulo CDC. L’elemento dissipativo Rext è collegato verso massa attraverso un interruttore Bextcontrollato da un valore di soglia esterno, Sext,della tensione del bus VDClink. Come meglio descritto nel seguito, il valore di soglia esterno, Sext,è del tipo con isteresi, ossia corrisponde a una soglia superiore Sext1e una soglia inferiore Sext2. A valle dell’elemento dissipativo Rextè connesso il convertitore DC-DC 23, che nel modello di figura 12 è anch’esso connesso al bus DCLink attraverso un interruttore BDCDC, controllato da un valore di soglia della tensione del bus VDClinkproprio del convertitore, SDCDC. Come meglio descritto nel seguito, il valore di soglia del convertitore, SDCDC,è del tipo con isteresi, ossia corrisponde a una soglia superiore SDCDC1e una soglia inferiore SDCDC2. Tale interruttore BDCDCè in effetti qui rappresentato come un interruttore fisico,ma è preferibilmente un interruttore virtuale, che viene implementato accendendo e spegnendo il convertitore DC-DC 23.

Si sottolinea che in generale la figura 9 rappresenta una schematizzazione alternativa del circuito di figura 2, in particolare relativa alla regione circuitale del bus ad alta tensione e del convertitore 23. L’elemento dissipativo Rext in figura 2 non è raffigurato, ma esso può essere egualmente presente anche nello schema di figura 2. Come meglio illustrato nel seguito, l’apparato di gestione dell’energia implementa un procedimento di gestione della carica della batteria che prevede di controllare la tensione sul DC-link come illustrato nel seguito, ossia tramite una prima procedura isteretica quando la potenza PoutINV, dovuta all’ammortizzatore rigenerativo 12, è minore della potenza assorbibile, funzione della potenza erogabile, dal convertitore DC-DC 23, e tramite una seconda procedura isteretica che impiega la resistenza Rext quando la potenza PoutINV, dovuta all’ammortizzatore rigenerativo 12, è maggiore della potenza assorbibile dal convertitore DC-DC 23. La corrente d’uscita del convertitore è aggiuntivamente regolata secondo le procedure di regolazione 200, 300, 400 precedentemente descritte in risposta alle regolazioni dell’alternatore.

La tensione sull’elemento di accumulo CDCè regolata in modalità isteretica, come segue.

La corrente di uscita dello stadio 30, Ioutinv, che è funzione della regolazione dello smorzamento, tende a far salire la tensione del bus VDClink

La corrente di ingresso IinDCDC,il cui valore è funzione, attraverso le procedure di regolazione 200, 300, 400, delle strategie di Energy Management, tende a far scendere la tensione VDClink.

E’ perciò previsto di impostare il valore di soglia esterna Sexta un valore di tensione maggiore del valore di soglia SDCDCdel convertitore 23, ad esempio rispettivamente a 53V e 49V. In tal modo al crescere della tensione del bus VDClinkviene dapprima abilitato il convertitore DC-DC 23 e successivamente, nel caso la tensione continui a salire, il carico esterno Rext. Viceversa al diminuire della tensione del bus VDClinkviene dapprima disabilitato il carico esterno Rext e, nel caso la tensione continui a scendere, convertitore DC-DC 23.

L’interruttore BDCDCrelativo al DC-DC indicato in figura 12 è rappresentato in maniera puramente funzionale, può essere ad esempio un interruttore controllato, ottenuto tramite un MOSFET, oppure, preferibilmente, può essere il controllo del convertitore 23 ad operare l’attivazione/disattivazione del convertitore DC-DC 23 medesimo.

Secondo la soluzione qui descritta, sono previsti due casi.

Nel primo caso, la potenza PoutINV, dovuta all’ammortizzatore rigenerativo 12, è minore della potenza assorbibile al convertitore DC-DC 23.

In tal caso, il condensatore di accumulo CDCviene allora caricato/scaricato dalla differenza tra la potenza generata dall’inverter 13 PoutINVe quella assorbita dal convertitore DC-DC 23. La potenza PoutINVdovuta all’ammortizzatore rigenerativo 12 e generata all’inverter 13 è dettata dal punto di lavoro sulle caratteristiche di smorzamento del sistema di ammortizzatori rigenerativi 12, dunque essa non può essere modificata o modulata altrimenti. La potenza assorbita dal convertitore DC-DC 23 è modulabile tramite cicli di abilitazione e disabilitazione del convertitore DC-DC 23 secondo una legge isteretica, che può essere basata sulla tensione, nel caso in cui ad esempio l’elemento di accumulo CDCsia ottenuto attraverso catene di supercondensatori, i cosiddetti Supercapacitor o Supercap, oppure o sullo stato di carica, o SOC (State of Charge, nel caso di una batteria Li-ion o altra tecnologia della batteria 14.

La potenza massima erogabile dal convertitore DC-DC 23 verso la batteria 14 o il bus a bassa tensione HV è limitata dalle procedure di regolazione 200, 300, o 400 secondo i segnali del modulo di Energy Management o dalla massima corrente d’uscita del convertitore DC-DC 23. In entrambi i casi se la potenza PoutINVfornita dal sistema di recupero dell’energia 30, in particolare dagli inverter 13, è minore della potenza assorbibile dal convertitore DC-DC 23 il sistema garantisce il totale trasferimento dell’energia recuperata, variando solamente il duty-cycle di operazione a seconda del valore di corrente di limitazione.

Il convertitore DC-DC 23 può dunque essere convenientemente dimensionato in potenza in modo da garantire questa modalità di operazione con riferimento ad un valore di potenza massima in ingresso più probabile.

Nel caso invece in cui la potenza PoutINVsia maggiore della potenza assorbibile dal convertitore DC-DC 23, la corrente assorbita dal convertitore DC-DC 23 non è in grado di scaricare il bus ad alta tensione HV. Ciò può avvenire a causa della limitazione della corrente in uscita, determinata dai requisiti di Energy Management oppure assoluta, ossia la massima corrente che il convertitore DC-DC 23 è in grado di fornire.

Secondo un aspetto ulteriore della soluzione qui descritta è previsto in questo caso di prevedere un carico dissipativo in aggiunta sul bus ad alta tensione HV medesimo, come illustrato in Figura 12. Poiché, come detto, la potenza proveniente dagli inverter 13 non è modificabile o manipolabile, il convertitore DC-DC 23 è in questo caso sempre abilitato, con una limitazione di corrente, mentre il carico aggiuntivo è modulabile secondo un’ulteriore legge isteretica basata sulla tensione del DC-link (Supercaps) o sullo stato di carica SOC (nel caso di una batteria Li-ion o altra tecnologia).

Il livello della tensione, così come il relativo ripple, possono essere variati per mantenere carico l’elemento di accumulo CDC(tensione più alta), consentendo il recupero dell’energia precedentemente accumulata in un momento consentito dall’Energy Management oppure per mantenerlo scarico (tensione più bassa) onde consentire un accumulo più consistente.

In figura 13 sono invece mostrati diagrammi che rappresentano rispettivamente gli andamenti nel tempo t della corrente di uscita IoutINVdello stadio 30, della corrente d’ingresso IinDCDCnel convetitore 23, della corrente Iextnell’elemento dissipativo esterno Rext e della tensione sul bus ad alta tensione, VDClink.

Come si può notare, finché la corrente di uscita IoutINV, fornita dagli inverter 13, rimane a un livello basso, indicativo di un basso recupero, e quindi di una potenza PoutINVminore della potenza del convertitore 23, la tensione VDClinkè regolata tramite cicli di attivazione e disattivazione del convertitore 23, rappresentati da valori alti e bassi di corrente d’ingresso IinDCDCal convertitore DC-DC 23. La tensione VDClinkrimane limitata, applicando una procedura di controllo di tipo isteretico comprendente un’operazione di comparazione di soglia con isteresi del valore di seconda tensione (VinDCDC) fra un valore di soglia alto SDCDC1e un valore di soglia basso SDCDC2i cui valori dipendono dalla tensione che si desidera avere in uscita dal convertitore DC-DC 23 a seconda delle modalità di funzionamento.

Quando, a un tempo ti, la corrente di uscita IoutINVpassa a un livello più alto, rappresentativo di una potenza di uscita PoutINVgenerata dallo stadio 30 maggiore della potenza del convertitore 23, la corrente IinDCDCrimane fissata a un valore massimo, e, ogni qualvolta la tensione sul VDClinkva al di sopra della soglia esterna superiore Sext1, viene chiuso l’interruttore Bext, determinando il passaggio di una corrente Iexte la decrescita della tensione VDClink. Quando tale tensione raggiunge la soglia esterna inferiore Sext2del convertitore 23, viene aperto l’interruttore esterno Bext, e la corrente Iextnell’elemento dissipativo esterno Rextcessa di scorrere.

Quando, a un tempo tf, la corrente di uscita IoutINVtorna a un livello basso indicativo di una potenza di uscita PoutINVinferiore alla potenza assorbita dal convertitore PinDCDC, a un livello più alto, il circuito torna al primo modo di controllo isteretico, con la semplice attivazione e disattivazione del solo convertitore 23 per rimanere sotto la soglia SDCDC1stabilita dall’Energy Management.

Il procedimento di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione di un autoveicolo qui descritto comprende, in caso di potenza di uscita PoutINVerogata dal sistema di recupero dell’energia 30 maggiore della potenza assorbibile dal convertitore DC-DC 23, di provvedere quale elemento dissipativo Rext un circuito di carico aggiuntivo 80, connesso in parallelo fra il bus ad alta tensione HV e la massa. Tale circuito di carico aggiuntivo comprende due circuiti di intervento per le due tipologie di sovratensione, rispettivamente:

- un primo circuito di attivazione 80H di un carico di potenza elevata ad attivazione/disattivazione rapida, con soglia di intervento elevata (prossima alla massima tensione accettabile sul bus ad alta tensione HV, per tagliare i picchi), ad esempio un carico impulsivo di potenza. Per attivazione rapida si intende che il primo circuito di attivazione 80H deve avere una costante di tempo sufficiente a seguire i picchi PK dell’alta tensione, ossia paragonabile con la costante di tempo associata ai picchi PK dell’alta tensione. In particolare, l’attivazione deve essere rapida quindi si deve basare su una lettura istantanea della tensione, quale quella ottenibile tramite un rivelatore di picco;

- un secondo circuito di attivazione 80L di un carico a potenza ridotta ed attivazione/disattivazione lenta, con soglia attorno alla tensione nominale del bus HV ed eventualmente variabile, con la finalità di mantenere la tensione media del bus ad alta tensione HV al valore desiderato anche in presenza di sbilanciamento di potenza (IoutINV>Iin_DCDC). Ad esempio può essere un carico di potenza media ad attivazione lenta. Per attivazione lenta si intende che il secondo circuito di attivazione 80L ha una costante di tempo tale da seguire la crescita del valor medio, ossia la deriva di tensione DV indicata in figura 8C, ossia una costante di tempo paragonabile alla costante di tempo associata alla crescita del valor medio. Per questo tipo di regolazione si rende necessaria una lettura filtrata della tensione.

Si noti che, in forme varianti, il circuito di carico aggiuntivo può comprendere solo il primo circuito di attivazione 80H o il secondo circuito di attivazione 80L.

Come mostrato in figura 12, il circuito 80 comprende un ramo ad attivazione rapida 80H che comprende un rilevatore di picco 82 e un circuito 84H di controllo del gate di un MOS 81H il cui drain è connesso tramite un resistore del circuito rapido RH_ext, al bus ad alta tensione HV, mentre l’elettrodo di source è a massa. Quando il circuito di controllo 84H del gate, in base al valore rivelato dal rivelatore di picco 82, rivela che la tensione d’ingresso VinDCDCdel convertitore 23 è sopra una determinata soglia, ad esempio la soglia esterna superiore Sext1, attiva il gate del MOS 81H per chiudere tale MOS 81H, che opera sostanzialmente da switch, in modo che il resistore del circuito rapido RH_extconnesso fra bus HV e massa operi da carico dissipativo per la potenza in eccesso.

Inoltre, il circuito 80 comprende un ramo a attivazione lenta 80L che comprende un filtro 83 e un circuito 84L di controllo del gate di un MOS 81L il cui drain è connesso tramite un resistore del circuito lento RL_ext, al bus ad alta tensione HV, mentre l’elettrodo di source è a massa. Il filtro 83 provvede una lettura filtrata della la tensione d’ingresso VinDCDCdel convertitore 23.

Quando il circuito di controllo 84L del gate, in base al valore filtrato dal filtro 83, rivela che la tensione d’ingresso VinDCDCdel convertitore 23 è sopra una determinata soglia, ad esempio la soglia esterna inferiore Sext2poco più elevata della tensione nominale e molto più bassa della soglia del circuito 80H, attiva il gate del MOS 81L per chiudere tale MOS 81L, che opera sostanzialmente da switch, in modo che il resistore RL_extconnesso fra bus ad alta tensione HV e massa operi da carico dissipativo per la potenza in eccesso.

In figura 12 è mostrato un dettaglio circuitale del circuito aggiuntivo 80 che mostra il rivelatore di picco 82 del circuito ad alta tensione 80H, comprendente un diodo Dp il cui anodo è connesso al bus ad alta tensione HV e il catodo è connesso all’ingresso del modulo di controllo di gate 84H, ossia all’ingresso di un comparatore 831, per valutare se la tensione all’anodo del diodo Dp è maggiore di una soglia data. All’ingresso del comparatore 831 sono connessi una capacità Cp verso massa e una resistenza Rp ad essa in parallelo. Il comparatore 831 è connesso a un gate driver 832 che fornisce la corrente per pilotare l’elettrodo di gate del MOS 81H.

Il circuito a attivazione lenta 80L è analogo al circuito a attivazione rapida 80H, ma comprende un filtro RC comprendente un resistore Rfche si diparte dal bus HV ed è connesso in serie a un condensatore di filtro Cfconnesso a sua volta a massa. Fra il resistore Rfe il condensatore Cf, dove si forma una tensione filtrata rispetto alla tensione d’ingresso VinDCDC, è connesso l’ingresso del modulo di controllo di gate 84L.

L’intento è quello di dissipare l’eccesso di potenza su dei carichi esterni al convertitore DC-DC 23 in modo da minimizzarne il dimensionamento termico. Da qui la preferenza per un controllo in PWM (Pulse Width Modulation) dei carichi aggiuntivi.

Oltre alla soluzione di figura 12, è possibile anche una soluzione di controllo mista, ad esempio con dei MOSFET che pilotano i carichi esterni in modalità lineare, in particolare per il circuito 80H. A questo riguardo, in figura 13 mostrata una variante in cui in luogo del rivelatore di picco 82 e del modulo di controllo di gate 84H è previsto un circuito 82’ comprendente un diodo Dl connesso con l’anodo al bus HV e il catodo al catodo di un diodo Zener Dz. L’anodo del diodo Zener Dz è connesso attraverso un resistore Rza massa e al gate del MOS 81H. Quando la tensione d’ingresso supera la tensione di break down del diodo Zener Dz il MOS81H entra in conduzione, attivando il carico a attivazione rapida RH_ext.

Per contenere il dimensionamento del carico aggiuntivo 80 si possono attivare carichi vettura tipicamente lenti, ad esempio il lunotto termico previa verifica che la conseguente innalzata limitazione di corrente relativa ai carichi attuali sia inferiore a quella assoluta: in caso contrario si dissipa inutilmente energia (fornita dall’alternatore).

Dunque, dalla descrizione risultano chiari i vantaggi della soluzione.

Vantaggiosamente, l’apparato e procedimento descritti permettono di aggiuntivamente di gestire i casi in cui la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia è maggiore della potenza erogata in uscita dal convertitore DC-DC.

Inoltre l’apparato e procedimento descritti permettono di controllare il bus a bassa tensione di veicolo in presenza di più dispositivi di generazione di potenza quali alternatore e ammortizzatori rigenerativi, in accordo con le strategie esistenti di Energy Management, in particolare con la (tensione impostata dallo Smart Alternator.

Inoltre l’apparato e procedimento descritti permettono di operare il convertitore DC-DC in modo da regolare contemporaneamente la corrente (e tensione) d’uscita e la tensione d’ingresso.

Inoltre l’apparato e procedimento descritti permettono di operare nei casi in cui non sia disponibile il set point di tensione di batteria, nel caso dell’alternatore classico o di uno Smart Alternator in fase di accelerazione.

Inoltre l’apparato e procedimento descritti permettono aggiuntivamente di gestire i casi in cui la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia è maggiore della potenza assorbibile in uscita dal convertitore DC-DC.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Ad esempio il sistema di recupero dell’energia, in luogo o assieme agli ammortizzatori rigenerativi può comprendere dei freni rigenerativi.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Apparato di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione (LV) di un veicolo comprendente uno stadio di recupero dell’energia (30), detto sistema di bassa tensione (LV), operante a una prima tensione (Vbat), comprendendo una batteria (14) che fornisce detta prima tensione (Vbat) su un bus a bassa tensione un sistema (60) di carica della batteria (14) comprendente un alternatore per fornire una tensione di ricarica (VALT) a detta batteria (14), dei carichi del veicolo alimentati dalla batteria (14) e/o dall’alternatore (60), detto veicolo comprendendo un sistema di alta tensione (HV), operante a una seconda tensione (VinDCDC,VDClink) maggiore di detta prima tensione (Vbat), detto sistema comprendendo detto stadio di recupero dell’energia (30) del veicolo che fornisce detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink), detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink) essendo fornita attraverso un sistema di immagazzinamento di energia intermedio (40) a un convertitore DC-DC (23) che converte detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink) in detta prima tensione (Vbat) a detto bus a bassa tensione (LV), detto apparato comprendendo a un modulo di controllo (70) configurato per operare operazioni di gestione dell’energia (EM) almeno da parte dell’alternatore (60), la seconda tensione (VinDCDC,VDClink) di detto convertitore DC-DC (23) essendo regolata tramite una procedura di controllo di tipo isteretico comprendente un’operazione di comparazione di soglia con isteresi del valore di detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink) e un’operazione di attivazione o disattivazione di detto convertitore DC-DC (23) in conseguenza del risultato di detta operazione di comparazione, caratterizzato dal fatto che detto apparato di gestione (90) comprende un carico aggiuntivo (Rext) posto in parallelo all’ingresso del convertitore DC-DC (23) connettibile selettivamente al bus ad alta tensione (HV), e che se la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia (30) è maggiore di una potenza assorbita dal convertitore DC-DC (23), l’apparato (90) è configurato per mantenere il convertitore DC-DC (23) sempre attivato, con una limitazione di corrente (200, 300, 400), e per selezionare la connessione del carico aggiuntivo secondo una ulteriore procedura di controllo isteretico, in particolare basata sulla seconda tensione (VinDCDC,VDClink) o sullo stato di carica.
2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta ulteriore procedura di controllo isteretico comprende rispettive soglie per il carico aggiuntivo (Sext) e per il convertitore (SDCDC) e prevede di impostare il valore di soglia (Sext) che controlla la connessione selettiva del carico aggiuntivo al bus ad alta tensione (HV) a un valore di tensione maggiore del valore di soglia (SDCDC) di attivazione del convertitore (23), in modo che al crescere della seconda tensione venga dapprima attivato il convertitore DC-DC (23) e successivamente, nel caso la tensione continui a salire, il carico aggiuntivo (Rext) e, viceversa, al diminuire della seconda tensione venga dapprima disattivato il carico aggiuntivo (Rext) e, nel caso la seconda tensione continui a scendere, il convertitore DC-DC (23).
3. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un circuito di carico aggiuntivo (80) connesso in parallelo fra il bus ad alta tensione (HV) e la massa, comprendente un primo circuito di attivazione (80H) di un carico ad attivazione più rapida (RH_EXT), con soglia di intervento più alta e/o un secondo circuito di attivazione (80L) di un carico ad attivazione più lenta (RL_EXT), con soglia maggiore della seconda tensione nominale (VinDCDC) del bus ad alta tensione (HV) e più bassa di detta soglia di intervento più alta.
4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto apparato (90) è configurato per rilevare (110) un’informazione sulla tensione regolata per rilevare la modalità di funzionamento dell’alternatore (60), e che detto modulo di controllo (70) configurato per operare operazioni di gestione dell’energia (EM) almeno da parte dell’alternatore (60),regola una tensione della batteria (14) a un valore di lavoro nominale, in corrispondenza della rilevazione di tale prima modalità di funzionamento l’apparato (90) essendo configurato per operare una procedura (200) di regolazione del convertitore DC-DC (23) comprendente: - un’operazione (210) in cui si stima una corrente (ILS) richiesta dai carichi del veicolo; - un’operazione (220) in cui si calcola il valore di corrente determinato dal rapporto della potenza (PoutINV) fornita dallo stadio di recupero energia (30) e la tensione di batteria (Vbat); - un’operazione (230) in cui si considera un valore di corrente fisso predeterminato (IF), che permette il dimensionamento del convertitore DC-DC (23) ad un determinato valore di potenza media trasferibile; - un’operazione di valutare (240) quale sia il minimo tra detti tre valori di stima di corrente richiesta (ILS), valore di corrente determinato dal rapporto (Pin/Vbat) e valore di corrente fisso predeterminato (IF) e, - un’operazione di limitare (250) da parte del convertitore DC-DC (23) la corrente di uscita a quello fra tra detti tre valori di stima di corrente richiesta (ILS), valore di corrente determinato dal rapporto (Pin/Vbat) e valore di corrente fisso predeterminato (IF) che presenta il valore minimo.
5. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende un modulo di controllo (70) configurato per operare operazioni di gestione dell’energia (EM) almeno da parte dell’alternatore (60) che fornisce come informazione sulla tensione regolata un riferimento di tensione di batteria (Vbat_ref).
6. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto modulo di controllo (70) è configurato per operare una gestione dell’energia da parte dell’alternatore (60) comprendente una seconda modalità di funzionamento in cui l’alternatore (60) regola la tensione della batteria (14) a un valore aumentato di tensione di batteria rispetto alla seconda tensione (Vbat) nominale, e, se viene rilevata detta seconda modalità di funzionamento, l’apparato (90) è configurato per operare una procedura (300) di regolazione del convertitore DC-DC (23) comprendente: un’operazione (310) di disabilitazione del funzionamento del convertitore DC-DC (23), immagazzinando nel sistema di immagazzinamento di energia intermedio l’energia proveniente dallo stadio di recupero dell’energia (30); dopo un intervallo di tempo (T) dato, in particolare un intervallo di tempo necessario a un elemento di accumulo (CDC) del sistema di immagazzinamento di energia intermedio (40) per raggiungere un valore di soglia di tensione ai suoi capi, eseguire un’operazione (320) di riattivazione del funzionamento del convertitore DC-DC (23) trasferendo l’energia immagazzinata nel sistema di immagazzinamento di energia intermedio (40).
7. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto modulo di controllo (70) è configurato per operare una gestione dell’energia da parte dell’alternatore (60) comprendente una terza modalità di funzionamento in cui l’alternatore (60) opera per regolare la tensione di batteria a un valore inferiore rispetto alla prima tensione (Vbat) nominale, e l’apparato (90) è configurato per operare una procedura (400) di regolazione del convertitore DC-DC (23) comprendente riversare potenza nella batteria (14) regolando una tensione minore o uguale al valore di prima tensione nominale (Vbat), in particolare eseguendo un’operazione di impostazione di un valore stimato di tensione di batteria basandosi sulla storia recente delle impostazioni.
8. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta operazione di rilevare (110) detta prima, seconda o terza modalità di funzionamento comprende di rilevare un riferimento di tensione di batteria (Vbat_ref) comandato da detto modulo di controllo (70) o modulo di regolazione configurato per operare operazioni di gestione dell’energia (EM).
9. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto stadio di recupero dell’energia (30) del veicolo che fornisce detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink) comprende uno o più ammortizzatori rigenerativi e/o uno o più freni rigenerativi.
10. Procedimento di gestione dell’energia fornita a un sistema di bassa tensione (LV) di un veicolo, detto veicolo comprendendo un sistema di bassa tensione (LV) e un sistema di alta tensione (HV) secondo una delle rivendicazione da 1 a 9, detto procedimento comprendendo operare (70) operazioni di gestione dell’energia (EM) almeno da parte dell’alternatore (60), regolare la seconda tensione (VinDCDC,VDClink) di detto convertitore DC-DC (23) tramite una procedura di controllo di tipo isteretico comprendente un’operazione di comparazione di soglia con isteresi del valore di detta seconda tensione (VinDCDC,VDClink) e un’operazione di attivazione o disattivazione di detto convertitore DC-DC (23) in conseguenza del risultato di detta operazione di comparazione, caratterizzato dal fatto che comprende disporre un carico aggiuntivo (Rext) in parallelo all’ingresso del convertitore (23) connettibile selettivamente al bus ad alta tensione (HV), e se la potenza fornita dallo stadio di recupero dell’energia (30) è maggiore di una potenza assorbita dal convertitore (23), comprende di mantenere il convertitore DC-DC (23) sempre attivato, con una limitazione di corrente, e selezionare la connessione del carico aggiuntivo secondo una ulteriore procedura di controllo isteretico, in particolare basata sulla seconda tensione (VinDCDC) o sullo stato di carica.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta ulteriore procedura di controllo isteretico comprende rispettive soglie per il carico aggiuntivo (Sext) e per il convertitore (SDCDC) e prevede di impostare il valore di soglia (Sext) che controlla la connessione selettiva del carico aggiuntivo al bus ad alta tensione (HV) a un valore di tensione maggiore del valore di soglia (SDCDC) di attivazione del convertitore (23), in modo che al crescere della seconda tensione venga dapprima attivato il convertitore DC-DC (23) e successivamente, nel caso la tensione continui a salire, il carico aggiuntivo (Rext) e, viceversa, al diminuire della seconda tensione venga dapprima disattivato il carico aggiuntivo (Rext) e, nel caso la seconda tensione continui a scendere, il convertitore DC-DC (23).
12. Procedimento secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che detta operazione di disporre un carico aggiuntivo (Rext) comprende disporre un circuito di carico aggiuntivo (80) connesso in parallelo fra il bus ad alta tensione (HV) e la massa, comprendente un primo circuito di attivazione (80H) di un carico ad attivazione più rapida (RH_EXT), con soglia di intervento più alta e/o un secondo circuito di attivazione (80L) di un carico ad attivazione più lenta (RL_EXT), con soglia maggiore della seconda tensione nominale (VinDCDC) del bus ad alta tensione (HV) e più bassa di detta soglia di intervento più alta.