IT202000025441A1 - Alimentatore intelligente per batterie - Google Patents

Description

Descrizione dell?Invenzione Industriale avente per titolo:

?Alimentatore intelligente per batterie?

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un alimentatore intelligente per batterie.

Le batterie ricaricabili sono utilizzate in molteplici ambiti tecnologici e in alcune applicazioni ? richiesto un modo efficiente per generare energia da queste fonti. In particolare, al fine di massimizzare il ciclo di vita dei sistemi di fonte di energia, ? necessario determinare le caratteristiche di tensione e corrente per le fasi di carica e scarica verosimilmente mediante la stima dello stato della carica della batteria e anche di come i parametri ambientali la influenzano.

Sono noti nella tecnica molteplici sistemi atti a generare carica per batterie elettriche e a fornire una stima dello stato di carica, come descritto nel documento US5659240A nel quale la stima si ottiene misurando la corrente di scarica durante il periodo di tempo tra i cicli di ricarica in modo da determinare le ampere-ore nette da applicare alla batteria, oppure nel documento EP1688754B1 nel quale un sistema di gestione della batteria ne determina una variazione di impedenza causata dal deterioramento della batteria.

Nel documento US7446508B2 la corrente ? fornita alla batteria con una relazione dipendente dalla temperatura predeterminata, mentre nel documento US7521895B2 si pone l?attenzione su un sistema e un metodo per determinare lo stato di una batteria applicando tecniche di previsione e stima.

Nei documenti US010354026B2 e US20190384876A1 la gestione della carica della batteria ? realizzata memorizzando diversi set di parametri corrispondenti a diverse condizioni operative, quindi viene utilizzato un algoritmo per adattare i dati misurati ai parametri al fine di ottenere un modello della batteria. In US20110057603A1 un sistema con uno o pi? sensori viene utilizzato per identificare una particolare batteria e sviluppare una strategia che minimizzi la corrente di carica ritardando la ricarica stessa ed effettuando una sotto-carica. Applicazioni pi? recenti, come US20190383878A1, migliorano il sistema di ricarica utilizzando un convertitore CC/CC aggiuntivo in grado di fornire alla batteria una forma d?onda predeterminata per identificarne l?impedenza.

Ancora, nel documento CN107404149 si fa riferimento al campo tecnico del processo di carica e scarica della batteria senza per? fornire un modello predittivo che tenga conto delle condizioni ambientali e dell?adattabilit? del sistema mediante un controllore, mentre nel documento EP2149958 si fa riferimento a un?unit? di memoria in grado di memorizzare la suo interno un primo ed un secondo valore di soglia relativi alla temperatura, senza per? effettuare un?ottimizzazione della tensione e del valore della corrente durante le fasi di carica e scarica relative alle future condizioni della batteria; il recente documento US10429446 si riferisce all?analisi del valore della corrente di carica/scarica della batteria acquisiti in una pluralit? di punti nel dominio del tempo e in seguito si calcola il valore medio dei valori ottenuti senza per? effettuare alcun controllo predittivo.

Lo svantaggio principale di approcci esistenti ? l?uso di un insieme predeterminato di strategie o parametri memorizzati e ci? significa che tali soluzioni si basano su misure precedenti o identificazione online, ma non sono in grado di ottimizzare la tensione e il valore corrente per le fasi di carica e scarica relative alle future condizioni operative della batteria.

Inoltre, la tecnica nota ? focalizzata su modelli di batteria, senza riguardo ai parametri del convertitore, ove esso sia utilizzato.

Scopo della presente invenzione ? quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore mediante un alimentatore elettronico innovativo ed intelligente che fornisce alla batteria un?opportuna alimentazione prendendo in considerazione le condizioni ambientali di funzionamento, la dinamica elettrica e la temperatura di esercizio sia presente che futura della batteria durante la carica della stessa. Si avvale inoltre di un generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (convertitore DC/DC o AC/DC) che eroga la corrente ottima alla batteria, il tutto con una massima tensione programmabile.

Altro scopo della presente invenzione ? la strategia di controllo incentrata sulla minimizzazione di un indice di costo calcolato sulla base di un modello previsionale del comportamento del convertitore e del carico ad esso collegato la cui azione di controllo ? soggetta ai vincoli imposti dalle specifiche dei componenti impiegati nel convertitore e nel carico.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell?invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un alimentatore intelligente per batterie come quello descritto nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l?oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulter? immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalit? equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verr? meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la FIG. 1 mostra lo schema complessivo dell?alimentatore intelligente per batterie (100) composto da blocchi funzionali dei quali alcuni esterni (indicati con ?ext?) secondo la presente invenzione;

la FIG. 2 mostra lo schema funzionale dell?alimentatore intelligente per batterie (100) Nello schema di figura 1, il vettore delle variabili termiche della batteria ? indicato con la lettera ?T?, il vettore delle variabili elettriche con ?i? e ?v?, a seconda che si tratti di correnti o tensioni, il vettore delle variabili di potenza con ?P?. L?apice ?ref? ? utilizzato per identificare le variabili di riferimento; i pedici ?k? ed ?s? rappresentano indici temporali dei modelli tempo discreto.

L?alimentatore intelligente (100) per batterie si basa sul controllo predittivo ottimo vincolato di un processo e comprende un controllore predittivo (1) progettato per prevedere il comportamento futuro dell?alimentatore intelligente per batterie (100) per mezzo di un modello termoelettrico della batteria (2) e un modello elettrico del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) progettato per fornire un?uscita in corrente (i) programmabile e opportunamente provvisto di un circuito per la protezione del carico con massima tensione impressa (vmax) anche essa programmabile che tiene conto delle condizioni di funzionamento limite dei componenti che costituiscono il complesso del dispositivo di carica della batteria (2), e una batteria (2) progettata dall?interconnessione di un numero di celle di accumulo in una configurazione N serie di M paralleli di celle, alimentata dal generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1).

Vantaggiosamente, l?azione di controllo ? esercitata con la garanzia che le variabili termiche ed elettriche non eccedano i corrispondenti limiti (tempo-varianti) superiori ed inferiori.

Inoltre, la potenza elettrica necessaria al funzionamento del controllore predittivo (1) e del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) ? fornita da un generatore di tensione non regolato in alternata o in continua (ext 2).

L?alimentatore intelligente (100) ? provvisto di un sensore di misura delle variabili elettriche (3) quali la corrente diretta e della tensione ai capi della batteria (2) e di un sensore di misura della temperatura (4) necessario per la misura o stima della temperatura ambientale e della/e temperatura/e di o delle celle della batteria (2) opportunamente connesso ad un termostato (ext 5) con temperatura ?k.

Inoltre, la misura dello stato iniziale [V0, T0, i0] del sistema ? effettuata mediante lo stimatore del vettore di stato (5), in base ai valori misurati delle variabili termiche ed elettriche del sistema.

In particolare, il sistema ? provvisto di un un generatore del valore dei vincoli interni (6) necessario per la generazione e/o memorizzazione dei valori limiti di temperatura e della corrente e della tensione indicati rispettivamente dalle variabili T<min>k, T<max>k, i<min>k, i<max>k, v<min>k, v<max>k.

Inoltre, mediante il generatore di riferimenti interni (7) ? possibile determinare il punto di funzionamento ottimale del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) che alimenta la batteria (2) sulla base di un prefissato numero di variabili termiche, di variabili elettriche e di potenza elettrica assorbita dal carico, mentre attraverso l?ausilio del generatore di riferimenti esterni (ext 3) ? possibile immettere nel controllore predittivo (1) i valori di riferimento relativi a temperatura, parametri elettrici e potenze elettriche. Mediante un opportuno commutatore a due vie (11) il controllore predittivo (1), attraverso un selettore esterno della modalit? di riferimento (ext 6), gestisce la commutazione del funzionamento dalla modalit? automatica regolata dal generatore dei riferimenti interni (7) ad una modalit? in cui i riferimenti sono acquisiti dal generatore riferimento esterni (ext 3).

Vantaggiosamente, l?indice di costo ? costituito da alcuni blocchi indipendenti che possono essere attivati o disattivati o pesati in maniera variabile in base alle condizioni operative che si intendono ottenere. Inoltre, il criterio di ottimizzazione nell?ottica di predizione, periodo dopo periodo, dipende dal peso attribuito alle matrici indicate con Q<T>, Q<i >e Q<P>; le suddette matrici consentono di attribuire una maggiore o minore importanza (o anche un peso nullo) ai corrispondenti termini delle funzioni di costo.

La regolazione autonoma delle variabili di peso (Q) da applicare alla temperatura, alle correnti ed alle potenze elettriche che il controllore predittivo (1) deve perseguire sono generate da un generatore interno della matrice pesi (8), mentre la generazione dei valori dei parametri indicati dalle variabili di peso dei riferimenti di temperatura, corrente e potenza elettrica esterni ? effettuata mediante un generatore esterno delle matrici dei pesi (ext 4). Per mezzo di un opportuno commutatore a due vie (12) il controllore predittivo (1), attraverso un selettore esterno della modalit? di funzionamento dei pesi (ext 7), gestisce la commutazione del funzionamento dalla modalit? automatica regolata dal generatore interno della matrice pesi (8) ad una modalit? esterna in cui i riferimenti sono trasmessi dal generatore esterno delle matrici dei pesi (ext 4).

Sulla base dei parametri forniti dal sensore di misura delle variabili elettriche (3), dallo stimatore delle variabili di stato (5), dal generatore dei vincoli interni (6), dal generatore dei riferimenti interni (7) ed esterni (ext 3) e dal generatore interno (8) ed esterno della matrice dei pesi (ext 4), il controllore predittivo (1) ottimizza e restituisce il vettore dei duty cycles [dk0 , ? ? ? , dk0+N?1] corrispondente al minimo valore della funzione obiettivo ovvero i vettori [ik0 , ? , ik0 N ?1] e [vk0 , ? ? ? , vk0 N ?1]. Il risultato della minimizzazione ? il vettore i*, formato da N elementi i* con k = k0, ... , k0 + N ? 1, che rappresenta il vettore dei valori delle correnti in corrispondenza del minimo della funzione obiettivo con il contemporaneo soddisfacimento di tutti i vincoli, secondo la seguente formulazione:

Il valore ik0 proveniente dal minimizzatore e vk0 che ? il vincolo di massima tensione vengono estratti dal multiplexer (9) ed inviati al generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) per il successivo campionamento.

I termini Q<T>K, Q<i>k e Q<P>k rappresentano nell?ordine: il vettore dei pesi associati alle variabili termiche (Tk), elettriche (ik) e di potenza (Pk), mentre Tk0, ik0 e Pk0 sono valori assegnati e soggetti a vincoli aggiuntivi:

con ?k, Vk, ik e Tk noti per k = k0, ? ,k0+N?1.

La soluzione del problema di minimizzazione dell?indice di costo avviene attraverso l?utilizzo di una funzione aumentata che dipende sia dalla funzione obiettivo da minimizzare che da una funzione barriera dipendente dai vincoli espressi nella (3). La funzione barriera ? una funzione il cui valore aumenta all?approssimarsi della soluzione ai vincoli del problema stesso. In questo modo la tecnica del gradiente pu? essere impiegata per la soluzione della (1). Non si esclude la possibilit? di impiegare altre tecniche per la soluzione del problema suddetto.

In particolare, la funzione vettoriale G(?) rappresenta il modello tempo discreto del convertitore (1) e della batteria (3) che determina

il valore presunto al passo successivo (k 1) delle variabili termiche ed elettriche (Tk+1, ik+1) sulla base del valore attuale (k) delle variabili termiche ed elettriche (Tk, ik), della temperatura ambientale ?k ed il valore della tensione elettrica dell?alimentatore in continua Vk. Tutte le nvariabili elettriche e termiche, le variabili fittizie che consentono la scrittura delle derivate di ordine superiore mediante l?aggiunta di ulteriori equazioni differenziali del primo ordine, nonch? la temperatura ambientale e della batteria vengono denominate con il termine xi e scritte nella forma

vettoriale come un vettore colonna

La funzione vettoriale G(?) si ottiene discretizzando il seguente sistema di equazioni differenziali rappresentative delle dinamiche termoelettriche del processo:

con

dove ?j,i ,F(?) vettore colonna di n funzioni di m ingressi ognuna, U ? un vettore degli ingressi tempo-varianti uq(t) con q=1...m e C[nx1] vettore di costanti. Il simbolo indica il prodotto di Kronecher, ovvero:

Lo stato di carica all?istante k ? calcolato come

dove e

sono rispettivamente il periodo di

discretizzazione e la capacit? della batteria, B(x) ? una funzione concava detta barriera soggetta alle seguenti ipotesi:

La funzione barriera ? una funzione il cui valore aumenta all?approssimarsi della soluzione ai vincoli del problema stesso. In questo modo la tecnica del gradiente pu? essere impiegata per la soluzione della (1). Non si esclude la possibilit? di impiegare altre tecniche per la soluzione del problema suddetto.

Vantaggiosamente, l?alimentatore intelligente (100) tiene in considerazione tra i parametri di funzionamento anche quelli relativi alla potenza dissipata dalla batteria ed ? in grado di determinare una maggiore efficienza dell?alimentazione oltre che alla protezione termica della batteria. Lo schema di controllo proposto considera esplicitamente le condizioni di stress in modo da migliorare la vita residua della batteria e garantendo ricarica non distruttiva.

Inoltre, il controllo delle operazioni di carica e scarica in corrente per ogni singola cella costituente la batteria (2), al fine di garantirne uguali tensioni, ? opportunamente effettuata mediante l?equalizzatore della tensione di cella (10).

Vantaggiosamente, i parametri del controllore (1) sono tarati in base alle specifiche della batteria (2) da controllare e rispetto alle prestazioni da associare alla funzione obiettivo. In particolare ? possibile, annullando alcuni termini, implementare strategie che consentono, insieme al contestuale soddisfacimento dei vincoli di funzionamento (termici ed elettrici) dei componenti, la minimizzazione indipendente di: potenza consumata dal carico, tracking della corrente del carico, tracking della potenza elettrica assorbita dal carico, tracking della temperatura della batteria, tracking sia della potenza elettrica che della temperatura.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Alimentatore intelligente per batterie (100) comprendente:

- un controllore predittivo (1) progettato per prevedere il comportamento futuro dell?alimentatore intelligente per batterie (100) mediante un modello elettrico del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) e un modello termoelettrico della batteria (2);

- un generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) progettato per fornireun?uscita in corrente (i) programmabile e opportunamente provvisto di un circuito per la protezione del carico con massima tensione impressa (vmax) anche essa programmabile, connesso alla batteria (2);

- una batteria (2) progettata dall?interconnessione di un numero di celle di accumulo in una configurazione N serie di M paralleli di celle, alimentata dal generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) e connessa all?equalizzatore della tensione di cella (10).

2. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la potenza elettrica necessaria al funzionamento del controllore predittivo (1) e del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) ? fornita da un generatore di tensione non regolato in alternata o in continua (ext 2) connesso a (ext 1) e, preferibilmente, i vettori ik0 e vk0 ad esso inviati per il successivo campionamento siano estratti dal multiplexer (9).

3. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la misura della corrente diretta e della tensione ai capi della batteria (2) soggetta al vincolo di tensione massima (vmax), ovvero ai suoi capi non deve essere superata una tensione Vk0 corrispondente al campione k0 del segnale di controllo dk0 (duty cycle), sono effettuate mediante un sensore di misura delle variabili elettriche (3), connesso alla batteria (2).

4. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la misura o stima della temperatura ambientale e della/e temperatura/e di o delle celle della batteria (2) ? effettuata mediante un sensore di misura della temperatura (4), connesso al termostato (ext 5) con temperatura ?k e, preferibilmente, lo stato iniziale [V0, T0, i0] del sistema ? misurato mediante lo stimatore del vettore di stato (5), connesso al sensore di misura della temperatura (4), sulla base dei valori misurati o stimati delle variabili termiche ed elettriche del sistema.

5. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la generazione e/o memorizzazione dei valori limiti di temperatura e della corrente e della tensione indicati rispettivamente dalle variabili

? realizzata mediante un generatore del valore dei vincoli interni (6), connesso al controllore (1).

6. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il punto di funzionamento ottimale del generatore di corrente programmabile in continua con limitazione della massima tensione erogabile (ext 1) che alimenta la batteria (2) sulla base di un prefissato numero di variabili termiche, di variabili elettriche e di potenza elettrica assorbita dal carico ? generato mediante il generatore di riferimenti interni (7) connesso attraverso il commutatore (11) al controllore (1) e, preferibilmente, a un selettore esterno della modalit? di riferimento (ext 6) che permette al controllore predittivo (1) di commutare il proprio funzionamento dalla modalit? automatica regolata dal generatore dei riferimenti interni (7) ad una modalit? in cui i riferimenti sono acquisiti dal generatore riferimento esterni (ext 3).

7. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i valori di riferimento relativi a temperatura, parametri elettrici e potenze elettriche da immettere nel controllore predittivo (1) sono emessi dal generatore di riferimenti esterni (ext 3), connesso attraverso il commutatore (11) al controllore (1).

8. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la regolazione autonoma delle variabili di peso (Q) da applicare alla temperatura, alle correnti ed alle potenze elettriche che il controllore predittivo (1) deve perseguire ? realizzata da un generatore interno della matrice pesi (8), connesso al controllore (1) mediante il commutatore (12) e, preferibilmente, a un selettore esterno della modalit? di funzionamento dei pesi (ext 7) che permette al controllore predittivo (1) di commutare il proprio funzionamento dalla modalit? automatica regolata dal generatore interno della matrice pesi (8) ad una modalit? esterna in cui i riferimenti sono trasmessi dal generatore esterno delle matrici dei pesi (ext 4).

9. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la generazione dei valori dei parametri indicati dalle variabili di peso dei riferimenti di temperatura, corrente e potenza elettrica esterni ? effettuata mediante un generatore esterno delle matrici dei pesi (ext 4), connesso al controllore (1) mediante il commutatore (12).

10. Alimentatore intelligente per batterie (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che il controllore predittivo (1) ottimizza e restituisce a partire dai parametri forniti dal sensore di misura delle variabili elettriche (3), dallo stimatore delle variabili di stato (5), dal generatore dei vincoli interni (6), dal generatore dei riferimenti interni (7) ed esterni (ext 3), dal generatore interno (8) ed esterno della matrice dei pesi (ext 4) il vettore dei duty cycles [dk0 , ? ? ? , dk0+N

?1] corrispondente al minimo valore della funzione obiettivo ovvero i vettori [ik0 , ? ? ? , i k0 N ?1] e [vk0 , ? ? ? , vk0 N ?1].