IT201900005664A1 - Impianto elettrico di un veicolo stradale provvisto di un convertitore elettronico di potenza dc-dc - Google Patents

Impianto elettrico di un veicolo stradale provvisto di un convertitore elettronico di potenza dc-dc Download PDF

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Ugo Sitta
Roberto Betrò
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“IMPIANTO ELETTRICO DI UN VEICOLO STRADALE PROVVISTO DI UN CONVERTITORE ELETTRONICO DI POTENZA DC-DC”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un impianto elettrico di un veicolo stradale provvisto di un convertitore elettronico di potenza DC-DC.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione in veicolo stradale con propulsione ibrida cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.
ARTE ANTERIORE
Un veicolo ibrido comprende un motore termico a combustione interna, il quale trasmette la coppia motrice alle ruote motrici mediante una trasmissione provvista di un cambio, ed almeno una macchina elettrica che è collegata elettricamente ad un sistema di accumulo elettrico ed è collegata meccanicamente alle ruote motrici.
L’impianto elettrico di un veicolo ibrido comprende un circuito elettrico ad alta tensione (in senso relativo, potrebbe anche avere una tensione nominale di soli 48 Volt) ed alta potenza a cui è collegata la macchina elettrica; il circuito elettrico ad alta tensione comprende un dispositivo di accumulo (provvisto di almeno un pacco di batterie chimiche), ed un convertitore elettronico di potenza bidirezionale continua-alternata che nel lato in corrente continua è collegato al dispositivo di accumulo e nel lato in corrente alternata è collegato alla macchina elettrica ed ha la funzione di pilotare la macchina elettrica stessa.
L’impianto elettrico di un veicolo ibrido comprende inoltre un circuito elettrico a bassa tensione (avente una tensione nominale di 12 Volt) e bassa potenza a cui sono collegati tutti i servizi ausiliari elettrici (ad esempio le centraline di controllo, il sistema di infotainment, il sistema antifurto, il sistema di illuminazione dell’abitacolo, le luci esterne, il motorino elettrico di avviamento del motore termico…). Generalmente, il circuito elettrico a bassa tensione è provvisto di un proprio dispositivo di accumulo (provvisto di una singola batteria chimica relativamente pesante ed ingombrante) avente una elevata corrente (potenza) di spunto necessaria ad alimentare (per pochissimi secondi) il motorino elettrico di avviamento del motore termico. Inoltre, generalmente, è previsto un convertitore elettronico di potenza DC-DC che collega tra loro il circuito elettrico a bassa tensione ed il circuito elettrico ad alta tensione per trasferire energia elettrica dal circuito elettrico ad alta tensione al circuito elettrico a bassa tensione (o anche viceversa, qualora le strategie di gestione di bordo lo prevedano); ovvero l’energia elettrica fornita dal circuito elettrico ad alta tensione viene utilizzata sia per ricaricare il dispositivo di accumulo del circuito elettrico a bassa tensione, sia per alimentare i carichi elettrici del circuito elettrico a bassa tensione (con l’eccezione del motorino elettrico di avviamento del motore termico per il breve istante dell’avviamento).
Per cercare di ridurre il peso e l’ingombro del circuito elettrico a bassa tensione è stato proposto di eliminare il dispositivo di accumulo del circuito elettrico a bassa tensione e di aumentare la potenza elettrica erogabile dal convertitore elettronico di potenza DC-DC; tuttavia, con questa scelta progettuale il risparmio di peso complessivo si è rivelato modesto (a fronte di un elevato aumento del costo complessivo) in quanto la potenza nominale del convertitore elettronico di potenza DC-DC deve aumentare da circa 2 kW (necessaria per alimentare tutti i carichi elettrici durante la normale marcia) ad oltre 10 kW (necessaria al motorino elettrico di avviamento durante i pochi istanti dell’avviamento).
Inoltre, eliminando il dispositivo di accumulo del circuito elettrico a bassa tensione è necessario mantenere sempre attivo il convertitore elettronico di potenza DC-DC anche quando il veicolo è parcheggiato per fornire la necessaria alimentazione elettrica ai carichi elettrici che devono venire sempre alimentati (tipicamente il sistema antifurto che è sempre attivo quando il veicolo è parcheggiato ed il sistema di infotainment che potrebbe dialogare a distanza con il possessore del veicolo o con un centro di assistenza remoto quando il veicolo è parcheggiato). Di conseguenza, il convertitore elettronico di potenza DC-DC viene continuamente stressato (ovvero è in funzione 24 ore al giorno, 7 giorni a settimana) e quindi richiede una progettazione più onerosa per essere in grado di sopportare di lavorare in continuo per un periodo adeguatamente lungo (tenendo conto che la vita minima di un veicolo è di almeno una decina di anni).
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di fornire un impianto elettrico di un veicolo stradale provvisto di un convertitore elettronico di potenza DC-DC, il quale impianto elettrico sia privo degli inconvenienti sopra descritti e sia nel contempo di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un impianto elettrico di un veicolo stradale provvisto di un convertitore elettronico di potenza DC-DC secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione preferite della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
• la figura 1 è una vista schematica ed in pianta di un veicolo stradale con propulsione ibrida (ovvero sia termica, si elettrica) e provvisto di un impianto elettrico realizzato in accordo con la presente invenzione;
• la figura 2 è una vista schematica ed in pianta di un telaio del veicolo stradale della figura 1 con in evidenza un sistema di accumulo di energia elettrica;
• la figura 3 è una vista schematica dell’impianto elettrico del veicolo stradale della figura 1 che è realizzato in accordo con la presente invenzione;
• la figura 4 è una vista schematica di un convertitore elettronico di potenza DC-DC dell’impianto elettrico della figura 3; e
• la figura 5 è una vista schematica ed in pianta di un veicolo stradale con propulsione solo termica e provvisto di un impianto elettrico realizzato in accordo con la presente invenzione.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un veicolo stradale con propulsione ibrida provvisto di due ruote 2 anteriori e di due ruote 3 posteriori motrici, che ricevono la coppia motrice da un sistema 4 di motopropulsione ibrido.
Il sistema 4 di motopropulsione ibrido comprende un motore 5 termico a combustione interna disposto in posizione anteriore e provvisto di un albero 6 motore, una trasmissione 7 che trasmette la coppia motrice generata dal motore 5 a combustione interna alle ruote 3 posteriori motrici, ed una macchina 8 elettrica che è meccanicamente collegato alla trasmissione 7 ed è reversibile (cioè può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando un coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica).
La trasmissione 7 comprende un albero 9 di trasmissione che è da un lato è angolarmente solidale all’albero 6 motore e dall’altro lato è meccanicamente collegato ad un cambio 10, il quale è disposto in posizione posteriore e trasmette il moto alle ruote 3 posteriori motrice mediante due semiassi 11 che ricevono il moto da un differenziale 12.
La macchina 8 elettrica è meccanicamente collegata al cambio 10 e viene pilotata da un convertitore 13 elettronico di potenza AC/DC (cioè un “inverter”) che è collegato ad un sistema 14 di accumulo di energia elettrica provvisto di batterie chimiche. In questa applicazione, il convertitore 13 elettronico di potenza DC-AC è bidirezionale e comprende un lato in corrente continua collegato al sistema 14 di accumulo ed un lato in corrente alternata trifase che è collegato alla macchina 8 elettrica.
Secondo quanto illustrato nella figure 2, il sistema 14 di accumulo comprende due distinti pacchi 15 di batterie chimiche, ciascuno dei quali è composto da una pluralità di batterie chimiche collegate tra loro in serie e/o parallelo; ciascuna batteria chimica comprende rispettive celle elettrochimiche che sono atte a convertire l'energia chimica accumulata in energia elettrica e viceversa.
Inoltre, il veicolo 1 stradale è provvisto di un telaio 16 comprendente un pianale che costituisce una parete di fondo dell’abitacolo; nel pianale sono ricavati due alloggiamenti per ospitare i due pacchi 15 di batterie chimiche che sono appoggiate sul pianale stesso.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, il veicolo 1 stradale è provvisto di un impianto 17 elettrico, il quale comprendente un circuito 18 elettrico ad alta tensione (in senso relativo) ed alta potenza presentante una tensione nominale di 48 Volt ed un circuito 19 elettrico a bassa tensione e bassa potenza presentante una tensione nominale di 12 Volt. E’ importante sottolineare che il circuito 18 elettrico è denominato “ad alta tensione” in quanto presenta una tensione nominale (48 Volt) maggiore della tensione nominale (12 Volt) del circuito 19 elettrico, ovvero la definizione di “alta tensione” è da intendere come relativa al solo impianto 17 elettrico e con riferimento al circuito 19 elettrico presentante una tensione nominale di 12 Volt.
Il circuito 18 elettrico ad alta tensione comprende il sistema 14 di accumulo ed il convertitore 13 elettronico di potenza AC/DC che da un lato è collegato al sistema 14 di accumulo e dal lato opposto è collegato alla macchina 8 elettrica (ovvero agli avvolgimenti di statore della macchina 8 elettrica).
Il circuito 19 elettrico a bassa tensione comprende una pluralità di carichi elettrici, ciascuno dei quali è atto solo ad assorbire energia elettrica per il proprio funzionamento (ovvero nessuno di tali carichi elettrici è in grado di generare energia elettrica). In particolare i carichi elettrici comprendono dei carichi elettrici continuativi (ad alta priorità) che presentano un modesto assorbimento di potenza e devono venire costantemente alimentati indipendentemente dall’utilizzo del veicolo 1 stradale (ovvero devono venire costantemente alimentati anche quando il veicolo 1 stradale è parcheggiato) e dei carichi elettrici saltuari (a bassa priorità) che devono venire alimentati solo quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato e spesso solo per periodi limitati di tempo.
I carichi elettrici continuativi (ad alta priorità) comprendono ad esempio un sistema 20 di allarme ed un sistema 21 di infotainment; ovviamente possono essere previsti ulteriori carichi elettrici continuativi diversi da quelli sopra menzionati quali ad esempio delle centraline elettroniche di controllo che in caso di interruzione della alimentazione elettrica generano alla ri-accensione un messaggio di errore (ovvero le centraline elettroniche di controllo che, per quanto vadano in standby e consumo ridottissimo, richiedono comunque di essere sempre alimentate con continuità pena la generazione di errori all’accensione). Invece, i carichi elettrici saltuari comprendono ad esempio un motorino 22 elettrico di avviamento, un sistema 23 di illuminazione dell’abitacolo, le luci 24 esterne, un sistema di climatizzazione (non illustrato), le varie centraline elettroniche di controllo (non illustrate)…; ovviamente possono essere previsti ulteriori carichi elettrici saltuari diversi da quelli sopra menzionati.
L’impianto 17 elettrico comprende un convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC che collega tra loro il circuito 19 elettrico a bassa tensione ed il circuito elettrico 18 ad alta tensione per trasferire energia elettrica dal circuito 18 elettrico ad alta tensione al circuito 19 elettrico a bassa tensione (o anche viceversa, qualora le strategie di gestione di bordo lo prevedano). E’ importante osservare che il circuito 19 elettrico a bassa tensione è del tutto privo di un proprio sistema di accumulo di energia elettrica esterno indipendente dal convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC, ovvero al di fuori del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC il circuito 19 elettrico a bassa tensione non prevede alcun sistema di accumulo di energia elettrica.
Secondo quanto illustrato nella figura 4, il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende un ingresso 26 in alta tensione (ovvero avente una tensione nominale di 48 Volt) che è collegato al sistema 14 di accumulo ed a cui sono collegati (in parallelo) gli ingressi di tre dispositivi 27 di conversione, ciascuno dei quali è in grado di variare la tensione elettrica continua (da 48 Volt a 12 Volt e viceversa). Inoltre, il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende una uscita 28 in bassa tensione (ovvero avente una tensione nominale di 48 Volt) che è collegata ai carichi elettrici del circuito 19 elettrico di bassa tensione ed a cui sono collegate (in parallelo) le uscite dei tre dispositivi 26 in alta tensione di conversione. In altre parole, i tre dispositivi 27 di conversione sono collegati tra loro in parallelo sia in ingresso (nell’ingresso 26 in alta tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC), sia in uscita (nell’uscita 28 in bassa tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC); ovvero gli ingressi dei tre dispositivi 26 in alta tensione di conversione sono collegati tra loro in parallelo e le uscite dei tre dispositivi 26 in alta tensione di conversione sono collegate tra loro in parallelo.
Il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende un sistema 29 di accumulo di energia elettrica che è parte integrante del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC (ovvero è disposto all’interno di un involucro del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC) ed è collegato all’uscita 28 in bassa tensione. Il sistema 29 di accumulo presenta una potenza nominale modesta (ovvero dell’ordine al massimo di 20-30 Watt) ed una carica elettrica immagazzinabile modesta (dell’ordine di 1-6 Ah, ovvero almeno un ordine di grandezza inferiore rispetto ad una batteria per automobile convenzionale ed almeno due ordini di grandezza inferiore rispetto al sistema 14 di accumulo) ed è destinato unicamente a fornire l’alimentazione elettrica ai carichi elettrici continuativi quando il veicolo 1 stradale è parcheggiato. Il sistema 29 di accumulo può comprendere solo dei supercondensatori, può comprendere solo una batteria chimica, oppure può comprendere un supercondensatore ed una batteria chimica collegati tra loro in parallelo.
Il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende un sensore 30 di carica che è atto a rilevare ciclicamente lo stato di carica del sistema 29 di accumulo, ovvero la percentuale di carica (elettrica) residua presente nel sistema 29 di accumulo. Il sensore 30 di carica è di tipo convenzionale e può utilizzare una misura della tensione elettrica generata dal sistema 29 di accumulo e/o una misura della corrente elettrica erogata dal sistema 29 di accumulo.
Il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende una propria unità 31 di controllo (provvista di una memoria e di un microprocessore), la quale sovraintende al funzionamento del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC, attiva (pilota) i dispositivi 27 di conversione e riceve dal sensore 30 di carica l’informazione sullo stato di carica del sistema 29 di accumulo. L’unità 31 di controllo dialoga con altre unità 32 di controllo del veicolo 1 stradale attraverso una rete BUS (ad esempio utilizzante il protocollo CAN). L’unità 31 di controllo è direttamente alimentata dall’uscita 28 in bassa tensione e quindi anche dal sistema 29 di accumulo; in alternativa (o in aggiunta), l’unità 31 di controllo è direttamente alimentata dall’ingresso 26 in alta tensione e quindi è direttamente alimentata dal sistema 14 di accumulo e/o dalla macchina 8 elettrica.
Secondo una preferita (ma non vincolante) forma di attuazione illustrata nella figura 4, dalla uscita 28 in bassa tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC si origina una linea 33 elettrica permanente destinata ai carichi elettrici continuativi (ad alta priorità) e due linee 34 elettriche interrompibili destinate ai carichi elettrici saltuari; in particolare, una linea 34 elettrica interrompibile è riservata al solo motorino 22 elettrico di avviamento (che ha una richiesta di potenza istantanea molto più alta rispetto a tutti gli altri carichi elettrici saltuari), mentre l’altra linea 34 elettrica interrompibile è dedicata a tutti gli altri carichi elettrici saltuari. Secondo altre forme di attuazione non illustrate, il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC potrebbe comprendere solo una singola linea 34 elettrica interrompibile per tutti i carichi elettrici saltuari (compreso il motorino 22 elettrico di avviamento) oppure il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC potrebbe comprendere tre o quattro linee 34 elettriche interrompibili.
Secondo una preferita (ma non vincolante) forma di attuazione illustrata nella figura 4, per una linea 34 elettrica interrompibile è previsto un interruttore 35 (tipicamente allo stato solido) che è pilotato dalla unità 31 di controllo ed è atto ad interrompere la linea 34 elettrica interrompibile stessa; l’interruttore 35 ha solo funzioni di sezionamento, ovvero di interrompere la continuità “metallica” della linea 34 elettrica quando la linea 34 elettrica non viene percorsa da una corrente elettrica di intensità significativa. L’altra linea 34 elettrica interrompibile dedicata al motorino 22 elettrico di avviamento non richiede la presenza di un proprio interruttore 35 in quanto il motorino 22 elettrico di avviamento presenta un proprio relè di attivazione e non richiede quindi un sezionamento specifico. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il motorino 22 elettrico di avviamento potrebbe essere privo di un proprio relè di attivazione e quindi la corrispondente linea 34 elettrica interrompibile potrebbe presentare (non obbligatoriamente) un interruttore 35.Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nella figura 4, il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende un unico involucro 36 esterno di protezione (metallico oppure plastico) che alloggia internamente i dispositivi 27 di conversione, l’unità 31 di controllo, il sistema 29 di accumulo, e l’interruttore 35 (o gli interruttori 35 se sono presenti più interruttori 35).
Come detto in precedenza, i tre dispositivi 27 convertitori sono disposti in parallelo sia in ingresso, sia in uscita e di conseguenza si somma la potenza fornita dai tre dispositivi 27 convertitori nell’uscita 28 in bassa tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC.
I tre dispositivi 27 convertitori sono tra loro identici e presentano ciascuno una potenza nominale di circa 3500-4000 Watt; di conseguenza, la cooperazione dei tre dispositivi 27 convertitori permette di fornire all’uscita 28 in bassa tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC una potenza complessiva di 10500-12000 Watt che è (ampiamente) sufficiente ad alimentare il motorino 22 elettrico di avviamento (in questa fase che dura normalmente 1-2 secondi altri carichi elettrici saltuari potrebbero venire spenti o limitati, eventualmente utilizzando anche l’interruttore 35 (o gli interruttori 35 se sono presenti più interruttori 35), per evitare di distrarre troppa potenza dal motorino 22 elettrico di avviamento). Come detto in precedenza, la potenza nominale del sistema 29 di accumulo è modesta (al massimo di 20-30 Watt) e quindi il motorino 22 elettrico di avviamento non viene praticamente mai alimentato dal sistema 29 di accumulo; in effetti una frazione di corrente elettrica che alimenta il motorino 22 elettrico di avviamento inevitabilmente proviene anche dal sistema 29 di accumulo, ma è una frazione così piccola (dell’ordine di 0,2-0,3% del totale) da essere trascurabile e del tutto ininfluente.
Secondo altre forme di attuazione non illustrate, il numero dei dispositivi 27 convertitori potrebbe essere diverso in funzione della potenza nominale di ciascun dispositivo 27 convertitore ed in funziona della potenza nominale complessiva del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC; ad esempio potrebbe essere previsto un unico dispositivo 27 convertitore, due dispositivi 27 convertitori, quattro dispositivi 27 convertitori oppure cinque (o più) dispositivi 27 convertitori.
Quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato (ovvero è in movimento più o meno continuativo), la macchina 8 elettrica viene utilizzata anche come generatore (ad esempio, ma non solo, in fase di rallentamento) per generare energia elettrica che viene immagazzinata nel sistema 14 di accumulo del circuito 18 elettrico ad alta tensione. Inoltre, quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato (ovvero è in movimento più o meno continuativo) il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC è costantemente in funzione per trasferire energia elettrica dal circuito 18 elettrico ad alta tensione al circuito 19 elettrico a bassa tensione; tale energia elettrica trasferita al circuito 19 elettrico a bassa tensione viene utilizzata per alimentare (quando necessario) tutti i carichi elettrici del circuito 19 elettrico a bassa tensione. Di conseguenza, quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato (ovvero è in movimento più o meno continuativo) il sistema 29 di accumulo del circuito 19 elettrico a bassa tensione rimane costantemente sotto carica e non viene utilizzato (ovvero non fornisce mai energia elettrica e, a parte una eventuale ricarica iniziale, non assorbe energia elettrica). Ovviamente, quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato (ovvero è in movimento più o meno continuativo), l’unità 31 di controllo mantiene rigorosamente e continuativamente chiusi l’interruttore 35 (o gli interruttori 35 se sono presenti più interruttori 35) per potere alimentare i carichi elettrici collegati alle due linee 34 elettriche interrompibili (eventualmente con l’unica eccezione dei brevi istanti di avviamento del motore 5 termico a combustione interna).
Quando il veicolo 1 stradale viene utilizzato (ovvero è in movimento più o meno continuativo), l’unità 31 di controllo stima la potenza elettrica richiesta all’uscita 28 in bassa tensione del convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC (ad esempio combinando le informazioni sullo stato di funzionamento fornite dai dispositivi 27 convertitori) e quindi in funzione della potenza elettrica richiesta all’uscita 28 in bassa tensione decide quanti dispositivi 27 convertitori fare funzionare insieme: se la potenza elettrica richiesta all’uscita 28 in bassa tensione è modesta viene utilizzato un solo dispositivo 27 convertitore alla volta, se la potenza elettrica richiesta all’uscita 28 in bassa tensione è media vendono utilizzati due dispositivi 27 convertitori alla volta, mentre se la potenza elettrica richiesta all’uscita 28 in bassa tensione è elevata (in pratica solo in caso di avviamento del motore 5 termico a combustione interna mediante il motorino 22 elettrico di avviamento) vengono utilizzati insieme tutti i dispositivi 27 convertitori. Secondo una preferita forma di attuazione, l’unità 31 di controllo tiene traccia del tempo di effettivo utilizzo di ciascun dispositivo 27 convertitore e quindi ciclicamente commuta i dispositivi 27 convertitori effettivamente attivi in modo tale da bilanciare (equalizzare, ovvero rendere uguali) i tempi di effettivo utilizzo dei dispositivi 27 convertitori.
Quando il veicolo 1 stradale non viene utilizzato (ovvero è parcheggiato “con la chiave disinserita”), l’unità 31 di controllo apre l’interruttore 35 (o gli interruttori 35 se sono presenti più interruttori 35) per evitare di alimentare (togliendo la tensione elettrica) i carichi elettrici collegati alle due linee 34 elettriche interrompibili; questa modalità permette di ottenere due effetti positivi: si evita di consumare (inutilmente) energia elettrica come inevitabilmente avviene quando i carichi elettrici saltuari (anche se disattivi) sono comunque sotto tensione e soprattutto si evita di sottoporre i carichi elettrici saltuari ad un inutile stress elettrico continuato che a lungo andare (ovvero nel corso degli anni) potrebbe anche provocare un invecchiamento precoce (soprattutto per le centraline elettroniche di controllo).
Quando il veicolo 1 stradale non viene utilizzato (ovvero è parcheggiato “con la chiave disinserita”), l’unità 31 di controllo spegne e mantiene normalmente spenti tutti i dispositivi 27 di conversione; di conseguenza, i carichi elettrici permanenti collegati alla linea 33 elettrica permanente vengono alimentati solo dal sistema 29 di accumulo. In questa fase, l’unità 31 di controllo monitora lo stato di carica del sistema 29 di accumulo e se lo stato di carica del sistema 29 di accumulo scende sotto ad una soglia di carica l’unità 31 di controllo attiva un solo dispositivo 27 di conversione per ricaricare il sistema 29 di accumulo sfruttando l’energia elettrica immagazzinata nel sistema 14 di accumulo del circuito 18 elettrico ad alta tensione. In altre parole, quando il veicolo 1 stradale non viene utilizzato (ovvero è parcheggiato “con la chiave disinserita”), i carichi elettrici permanenti collegati alla linea 33 elettrica permanente vengono alimentati solo dal sistema 29 di accumulo che, se e quando necessario, viene ciclicamente (ad esempio ogni 24/48/72… ore a seconda della capacità di immagazzinamento del sistema 29 di accumulo) ricaricato da un dispositivo 27 di conversione che viene temporaneamente attivato (per il tempo necessario a fornire una carica completa al sistema 29 di accumulo, ad esempio 1-2 ore).
Ovvero, l’unità 31 di controllo, quando e solo quando il veicolo 1 è parcheggiato, è configurata per rilevare uno stato di carica del sistema 29 di accumulo ed attivare uno dei tre dispositivi 27 di conversione solo quando lo stato di carica del sistema 29 di accumulo è inferiore alla soglia di carica e solo per il tempo necessario a ricaricare il sistema 29 di accumulo.
Secondo una possibile forma di attuazione, quando il veicolo 1 stradale non viene utilizzato (ovvero è parcheggiato “con la chiave disinserita”), l’unità 31 di controllo rimane spenta (per non consumare l’energia elettrica del sistema 29 di accumulo e per ridurre la propria usura) e viene accesa dal sensore 30 di carica solo quando lo stato di carica del sistema 29 di accumulo scende sotto alla soglia di carica; in altre parole, il sensore 30 di carica “sorveglia” ciclicamente lo stato di carica del sistema 29 di accumulo ed invia un segnale di accensione all’unità 31 di controllo quando lo stato di carica del sistema 29 di accumulo scende sotto alla soglia di carica per fare in modo che l’unità 31 di controllo attivi un dispositivo 27 di conversione per ricaricare il sistema 29 di accumulo. In questa forma di attuazione, il sensore 30 di carica è costituito da un circuito analogico (ad esempio un semplice comparatore che confronta la tensione di uscita del sistema 29 di accumulo con un riferimento di tensione) che presenta una complessità circuitale minima e consumi di energia molto bassi.
Il convertitore 25 elettronico di potenza DC-DC comprende un sensore 30 di carica che è atto a rilevare ciclicamente lo stato di carica del sistema 29 di accumulo, ovvero la percentuale di carica (elettrica) residua presente nel sistema 29 di accumulo. Il sensore 30 di carica è di tipo convenzionale e può utilizzare una misura della tensione elettrica generata dal sistema 29 di accumulo e/o una misura della corrente elettrica erogata dal sistema 29 di accumulo.
Operando in questo modo, quando il veicolo 1 stradale non viene utilizzato (ovvero è parcheggiato “con la chiave disinserita”), i dispositivi 27 di conversione sono praticamente sempre spenti (ovvero ciascuno funziona mediamente circa 1-3 ore a settimana) e quindi non subiscono alcun tipo di usura significativa; di conseguenza, i dispositivi 27 di conversione possono presentare una vita utile ben superiore alla vita utile del veicolo 1 stradale anche in assenza di una progettazione specifica (e quindi molto costosa) volta ad aumentare la loro resistenza all’usura.
La tensione nominale del circuito 19 elettrico a bassa tensione è generalmente sempre di 12 Volt, in quanto tale valore costituisce lo standard unico a livello mondiale per le applicazioni automotive; invece, la tensione nominale del circuito 18 elettrico ad alta tensione potrebbe essere diversa da 48 Volt (generalmente più alta di 48 Volt fino ad arrivare a diverse centina di Volt o anche un migliaio di Volt).
Secondo una diversa forma di attuazione illustrata nella figura 5, il veicolo 1 stradale non ha una trazione ibrida in quanto la macchina 14 elettrica viene sempre e solo utilizzata come generatore ed è permanentemente collegata (tipicamente mediante una cinghia o una catena) all’albero 6 motore del motore 5 termico a combustione interna. In questa forma di attuazione, è necessario generare una potenza elettrica relativamente elevata (quindi ad una tensione nominale di 48 Volt per non avere intensità di corrente elettrica eccessivamente grandi) per alimentare carichi elettrici rilevanti quali, ad esempio, degli attuatori elettrici di sospensioni attive. In questa applicazione, il convertitore 13 elettronico di potenza DC-AC è normalmente integrato con la macchina 8 elettrica (ovvero forma una unità con la macchina 8 elettrica).
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.
L’impianto 17 elettrico sopra descritto presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, l’impianto 17 elettrico sopra descritto permette di ridurre in modo significativo ingombro e peso del circuito 19 elettrico a bassa tensione grazie all’assenza della tradizionale batteria chimica; a tale proposito è importante osservare che il sistema 29 di accumulo presenta prestazioni, peso ed ingombro che sono una modesta frazione di prestazioni, peso ed ingombro di una tradizionale batteria chimica. Questo risultato viene ottenuto grazie all’utilizzo di più dispositivi 27 di conversione che operano in parallelo e quindi sono in grado di alimentare (quando necessario ed ovviamente per un breve istante) il motorino 22 elettrico di avviamento. Inoltre, grazie alla presenza del (piccolo) sistema 29 di accumulo, l’impianto 17 elettrico sopra descritto è in grado di assicurare l’alimentazione costante dei carichi elettrici continuativi senza tuttavia stressare i dispositivi 27 di conversione (ovvero senza fare funzionare sempre i dispositivi 27 di conversione).
Infine, l’impianto 17 elettrico sopra descritto è di costo e complessità relativamente ridotti in quanto è interamente composto da componenti commerciali.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE
1 veicolo
2 ruote anteriori
3 ruote posteriori
4 sistema di motopropulsione
5 motore
6 albero motore
7 trasmissione
8 macchina elettrica
9 albero di trasmissione
10 cambio meccanico
11 semiassi
12 differenziale
13 convertitore 13 elettronico di potenza AC/DC
14 sistema di accumulo
15 pacco di batterie chimiche
16 telaio
17 impianto elettrico
18 circuito elettrico ad alta tensione
19 circuito elettrico a bassa tensione
20 sistema di allarme
21 sistema di infotainment
22 motorino elettrico di avviamento
23 sistema di illuminazione dell'abitacolo 24 luci esterne
25 convertitore elettronico di potenza DC/DC 26 ingresso in alta tensione
27 dispositivo di conversione
28 uscita in bassa tensione
29 sistema di accumulo
30 sensore di carica
31 unità di controllo
32 unità di controllo
33 linea elettrica permanente
34 linea elettrica interrompibile
35 interruttore
36 involucro esterno

Claims (12)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Impianto (17) elettrico di un veicolo (1) stradale; l’impianto (18) elettrico comprende: un circuito (18) elettrico ad alta tensione provvisto di un primo sistema (14) di accumulo e di almeno una macchina (8) elettrica atta a generare energia elettrica; un circuito (19) elettrico a bassa tensione provvisto di una pluralità di carichi elettrici; ed un convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC che collega tra loro il circuito (19) elettrico a bassa tensione ed il circuito elettrico (18) ad alta tensione per trasferire energia elettrica dal circuito (18) elettrico ad alta tensione al circuito (19) elettrico a bassa tensione; in cui il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende un ingresso (26) in alta tensione, una uscita (28) in bassa tensione, un dispositivo (27) di conversione che è in grado di variare la tensione elettrica continua ed è interposto tra l’ingresso (26) in alta tensione e l’uscita (28) in bassa tensione, ed una unità (31) di controllo che pilota il dispositivo (27) di conversione; l’impianto (17) elettrico è caratterizzato dal fatto che: il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende un secondo sistema (29) di accumulo collegato all’uscita (28) in bassa tensione; e l’unità (31) di controllo, quando e solo quando il veicolo (1) è parcheggiato, è configurata per rilevare uno stato di carica del secondo sistema (29) di accumulo ed attivare il dispositivo (27) di conversione solo quando lo stato di carica del secondo sistema (29) di accumulo è inferiore ad una soglia di carica e solo per il tempo necessario a ricaricare il secondo sistema (29) di accumulo.
  2. 2) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 1, in cui l’unità (31) di controllo è configurata per, quando e solo quando il veicolo (1) è parcheggiato, spegnere e mantenere normalmente spento il dispositivo (27) di conversione in modo tale che i carichi elettrici del circuito (19) elettrico a bassa tensione vengano alimentati esclusivamente dal secondo sistema (29) di accumulo.
  3. 3) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende almeno due dispositivi (27) di conversione che sono collegati tra loro in parallelo sia nell’ingresso (26) in alta tensione, sia nell’uscita (28) in bassa tensione.
  4. 4) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 3, in cui l’unità (31) di controllo è configurata per, quando e solo quando il veicolo (1) è parcheggiato, attivare un solo dispositivo (27) di conversione per ricaricare il secondo sistema (29) di accumulo quando lo stato di carica del secondo sistema (29) di accumulo è inferiore alla soglia di carica.
  5. 5) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui l’unità (31) di controllo è configurata per, quando il veicolo (1) stradale viene utilizzato, stimare una potenza elettrica richiesta all’uscita (28) in bassa tensione e decide quanti dispositivi (27) convertitori fare funzionare insieme in funzione della potenza elettrica richiesta all’uscita (28) in bassa tensione.
  6. 6) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 3, 4 o 5, in cui l’unità (31) di controllo è configurata per tenere traccia del tempo di effettivo utilizzo di ciascun dispositivo (27) convertitore e ciclicamente commutare i dispositivi (27) convertitori effettivamente attivi in modo tale da bilanciare i tempi di effettivo utilizzo dei dispositivi (27) convertitori.
  7. 7) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui i carichi elettrici del circuito (19) elettrico a bassa tensione comprendono: almeno un carico elettrico continuativo che deve venire costantemente alimentato indipendentemente dall’utilizzo del veicolo (1); ed almeno un carico elettrico saltuario che deve venire alimentato solo quando il veicolo (1) viene utilizzato.
  8. 8) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 7, in cui: dal convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC si origina una linea (33) elettrica permanente a cui è collegato il carico elettrico continuativo; dal convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC si origina una linea (34) elettrica interrompibile a cui è collegato il carico elettrico saltuario; la linea (33) elettrica permanente è direttamente collegata all’uscita (28) in bassa tensione senza l’interposizione di alcun interruttore; il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende un interruttore (35) che è interposto tra l’uscita (28) in bassa tensione e la linea (34) elettrica interrompibile; e l’unità (31) di controllo chiude e mantiene chiuso l’interruttore (35) quando il veicolo (1) viene utilizzato ed apre e mantiene aperto l’interruttore (35) quando il veicolo (1) è parcheggiato.
  9. 9) Impianto (17) elettrico secondo la rivendicazione 8, in cui dal convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC si originano due linee (34) elettrica interrompibili alle quali sono collegati più carichi elettrici saltuari.
  10. 10) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui: i carichi elettrici del circuito (19) elettrico a bassa tensione comprendono almeno un carico elettrico continuativo che deve venire costantemente alimentato indipendentemente dall’utilizzo del veicolo (1); ed il secondo sistema (29) di accumulo è dimensionato per essere in grado di alimentare in autonomia il solo carico elettrico continuativo.
  11. 11) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui: i carichi elettrici del circuito (19) elettrico comprendono un motorino (22) elettrico di avviamento di un motore (5) termico a combustione interna del veicolo (1); ed il secondo sistema (29) di accumulo non è in grado di alimentare il motorino (22) elettrico di avviamento e presenta prestazioni nominali che sono inferiori al 10% delle prestazioni nominali richieste per l’alimentazione del motorino (22) elettrico di avviamento.
  12. 12) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui il secondo sistema (29) di accumulo presenta una potenza nominale inferiore a 30 Watt ed una carica elettrica immagazzinabile inferiore a 6 Ah, 13) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui il secondo sistema (29) di accumulo comprende unicamente supercondensatori. 14) Impianto (17) elettrico secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende un unico involucro (36) esterno di protezione che alloggia internamente il dispositivo (27) di conversione, l’unità (31) di controllo, ed il secondo sistema (29) di accumulo. 15) Impianto (17) elettrico di un veicolo (1) stradale; l’impianto (18) elettrico di comprende: un circuito (18) elettrico ad alta tensione provvisto di un primo sistema (14) di accumulo; un circuito (19) elettrico a bassa tensione provvisto di una pluralità di carichi elettrici; ed un convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC che collega tra loro il circuito (19) elettrico a bassa tensione ed il circuito elettrico (18) ad alta tensione per trasferire energia elettrica dal circuito (18) elettrico ad alta tensione al circuito (19) elettrico a bassa tensione; in cui il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende un ingresso (26) in alta tensione, una uscita (28) in bassa tensione, un dispositivo (27) di conversione che è in grado di variare la tensione elettrica continua ed è interposto tra l’ingresso (26) in alta tensione e l’uscita (28) in bassa tensione, ed una unità (31) di controllo che pilota il dispositivo (27) di conversione; l’impianto (17) elettrico è caratterizzato dal fatto che il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende almeno due dispositivi (27) di conversione che sono collegati tra loro in parallelo sia nell’ingresso (26) in alta tensione, sia nell’uscita (28) in bassa tensione. 16) Convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC per un impianto (17) elettrico di un veicolo (1) stradale; il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende: un ingresso (26) in alta tensione; una uscita (28) in bassa tensione; un dispositivo (27) di conversione che è in grado di variare la tensione elettrica continua ed è interposto tra l’ingresso (26) in alta tensione e l’uscita (28) in bassa tensione; ed una unità (31) di controllo che pilota il dispositivo (27) di conversione; il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC è caratterizzato dal fatto che: è previsto un secondo sistema (29) di accumulo collegato all’uscita (28) in bassa tensione; e l’unità (31) di controllo, quando e solo quando il veicolo (1) è parcheggiato, è configurata per rilevare uno stato di carica del secondo sistema (29) di accumulo ed attivare il dispositivo (27) di conversione solo quando lo stato di carica del secondo sistema (29) di accumulo è inferiore ad una soglia di carica e solo per il tempo necessario a ricaricare il secondo sistema (29) di accumulo. 17) Convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC per un impianto (17) elettrico di un veicolo (1) stradale; il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC comprende: un ingresso (26) in alta tensione; una uscita (28) in bassa tensione; un dispositivo (27) di conversione che è in grado di variare la tensione elettrica continua ed è interposto tra l’ingresso (26) in alta tensione e l’uscita (28) in bassa tensione; ed una unità (31) di controllo che pilota il dispositivo (27) di conversione; il convertitore (25) elettronico di potenza DC-DC è caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due dispositivi (27) di conversione che sono collegati tra loro in parallelo sia nell’ingresso (26) in alta tensione, sia nell’uscita (28) in bassa tensione.
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