IT202100013679A1 - Convertitore elettronico di potenza con raffreddamento a liquido per il controllo di almeno un motore elettrico di un veicolo - Google Patents

Convertitore elettronico di potenza con raffreddamento a liquido per il controllo di almeno un motore elettrico di un veicolo Download PDF

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Ugo Sitta
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?CONVERTITORE ELETTRONICO DI POTENZA CON RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO PER IL CONTROLLO DI ALMENO UN MOTORE ELETTRICO DI UN VEICOLO?
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione ? relativa ad un convertitore elettronico di potenza per il controllo di almeno un motore elettrico di un veicolo.
ARTE ANTERIORE
Un veicolo pu? essere provvisto solo di uno o pi? motori elettrici (ed in questo caso la trazione ? esclusivamente elettrica) oppure pu? essere provvisto di uno o pi? motori elettrici in abbinamento ad un motore termico (ed in questo caso la trazione pu? essere esclusivamente elettrica, esclusivamente termica o anche ibrida).
Il motore elettrico (o ciascun motore elettrico) ? collegato meccanicamente alle ruote motrici ed ? collegato elettricamente ad un sistema di accumulo di energia elettrica attraverso l?interposizione di un convertitore elettronico di potenza (ovvero un ?inverter?) che esegue la conversione dell?energia elettrica da continua (nel lato collegato al sistema di accumulo) ad alternata (nel lato collegato al motore elettrico) e viceversa.
Quando la potenza nominale del motore elettrico ? relativamente elevata, ? necessario che il convertitore elettronico di potenza sia provvisto di un sistema di raffreddamento a liquido per evitare che le componenti elettroniche di potenza (ovvero le componenti elettroniche attraverso le quali circola la corrente elettrica che interessa gli avvolgimenti di statore del motore elettrico) possano riscaldarsi eccessivamente.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione ? di fornire un convertitore elettronico di potenza per il controllo di almeno un motore elettrico di un veicolo, il quale convertitore elettronico di potenza sia provvisto di un sistema di raffreddamento a liquido che sia nello stesso tempo efficace (ovvero assicuri che la temperatura di lavoro delle componenti elettroniche di potenza non sia mai troppo elevata), efficiente (ovvero utilizzi una ridotta portata del liquido di raffreddamento) e compatto.
Secondo la presente invenzione viene fornito un convertitore elettronico di potenza per il controllo di almeno un motore elettrico di un veicolo, 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 verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
? la figura 1 ? una vista schematica ed in pianta di un veicolo stradale con propulsione elettrica;
? la figura 2 ? una vista schematica di un impianto elettrico ad alta tensione del veicolo della figura 1 provvisto di due convertitori elettronici di potenza realizzati in accordo con la presente invenzione;
? la figura 3 ? una vista prospettica e con l?asportazione di parti per chiarezza di un singolo convertitore elettronico di potenza dell?impianto elettrico ad alta tensione della figura 2;
? la figura 4 una vista prospettica di un gruppo di moduli di potenza del convertitore elettronico di potenza della figura 3;
? la figura 5 una vista prospettica dall?alto di un corpo a tazza di un contenitore del convertitore elettronico di potenza della figura 3;
? la figura 6 una vista prospettica dall?alto ed esplosa del corpo a tazza della figura 5; e
? la figura 7 una vista prospettica dal basso del corpo a tazza della figura 5.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 ? indicato nel suo complesso un veicolo con propulsione elettrica provvisto di quattro ruote 2 motrici (due ruote 2 anteriori motrici e due ruote 2 posteriori motrici).
Il veicolo 1 comprende un sistema 3 di motopropulsione elettrico disposto in posizione anteriore (ovvero collegato alle due ruote 2 anteriori motrici) ed un sistema 3 di motopropulsione elettrico che ? disposto in posizione posteriore (ovvero collegato alle due ruote 2 posteriori motrici), ? strutturalmente identico al sistema 3 di motopropulsione elettrico disposto in posizione anteriore, ed ? meccanicamente indipendente e separato dal sistema 3 di motopropulsione elettrico disposto in posizione anteriore.
Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il veicolo 1 comprende un unico sistema 3 di motopropulsione elettrico (disposto in posizione anteriore oppure disposto in posizione posteriore) e quindi presenta solo due ruote 2 motrici; in questa forma di attuazione, il veicolo 1 potrebbe comprendere anche un sistema di motopropulsione termico collegato alle ruote 2 motrici che non ricevono il moto dal sistema 3 di motopropulsione elettrico ed il sistema di motopropulsione termico potrebbe essere provvisto di un ulteriore motore 4 elettrico collegato all?albero motore di un motore termico a combustione interna.
Ciascun sistema 3 di motopropulsione elettrico comprende una coppia di motori 4 elettrici reversibili (cio? che possono funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando una coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica) provvisti di rispettivi alberi ed una coppia di trasmissioni 5 che collegano i motori 4 elettrici (ovvero gli alberi dei motori 4 elettrici) alle corrispondenti ruote 2 motrici senza l?interposizione di alcuna frizione.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, ciascun motore 4 elettrico ? pilotata da un convertitore 6 elettronico di potenza AC/DC (cio? un ?inverter?) che ? collegato ad un sistema 7 di accumulo di energia elettrica provvisto di batterie chimiche; ovvero ciascun convertitore 6 elettronico di potenza ? bidirezionale e comprende un lato in corrente continua collegato al sistema 7 di accumulo di energia elettrica ed un lato in corrente alternata trifase che ? collegato ad almeno un motore 4 elettrico.
Secondo quanto illustrato schematicamente nella figura 1, il sistema 7 di accumulo di energia elettrica presenta una conformazione piatta e (relativamente) sottile per venire integrata all?interno del pianale del veicolo 1.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, un impianto 8 elettrico ad alta tensione del veicolo 1 comprende due convertitori 6 elettronici di potenza che sono tra loro strutturalmente identici: un singolo convertitore 6 elettronico di potenza anteriore alimenta entrambi i motori 4 elettrici anteriori ed un singolo convertitore 6 elettronico di potenza posteriore alimenta entrambi i motori 4 elettrici posteriori. Ciascun convertitore 6 elettronico di potenza ? alloggiato in un corrispondente contenitore 9.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, ciascun convertitore 6 elettronico di potenza (indifferentemente anteriore o posteriore) comprende sei moduli 10 di potenza, ciascuno dei quali ? atto ad alimentare in corrente alternata una singola fase di un corrispondente motore 4 elettrico; ovvero ciascun modulo 10 di potenza rappresenta una singola ?gamba? di un inverter trifase ed ? provvisto di rispettivi transistor presentanti ciascuno un gate. In particolare, i sei moduli 10 di potenza sono divisi in due gruppi 11 composti ciascuno da tre moduli 10 di potenza che sono disposti uno di fianco all?altro su uno stesso piano: un gruppo 11 di tre moduli 10 di potenza ? disposto sulla parte destra del contenitore 9 ed alimenta le fasi del motore 4 elettrico di destra e l?altro gruppo 11 di tre moduli 10 di potenza ? disposto sulla parte sinistra del contenitore 9 ed alimenta le fasi del motore 4 elettrico di sinistra. Un gruppo 11 di moduli 10 di potenza ? meglio illustrato nella figura 4.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, ciascun convertitore 6 elettronico di potenza (indifferentemente anteriore o posteriore) comprende un unico ingresso in corrente continua comune a cui sono collegati in parallelo tutti e sei i moduli 10 di potenza. Secondo quanto illustrato nella figura 3, ciascun convertitore 6 elettronico di potenza (indifferentemente anteriore o posteriore) comprende due condensatori 12 che sono entrambi collegati in parallelo all?ingresso comune e sono disposti uno di fianco all?altro in una zona centrale del contenitore 9; ovvero i due condensatori 12 sono disposti tra i due gruppi 11 di moduli 10 di potenza.
Ciascun convertitore 6 elettronico di potenza comprende due dispositivi di pilotaggio del gate (non illustrati) che sono disposti sopra ai corrispondenti gruppi 11 di moduli 10 di potenza e quindi sono disposti alle due estremit? del contenitore 9. Ciascun dispositivo di pilotaggio del gate ? collegato ai gate dei transistor dei moduli 10 di potenza del corrispondente gruppo 11. I dispositivi di pilotaggio del gate integrano anche i sensori di corrente che misurano l?intensit? della corrente elettrica alternata che attraversa i moduli 10 di potenza.
Ciascun convertitore 6 elettronico di potenza comprende una unit? di controllo (non illustrata) che sovraintende al funzionamento di tutto il convertitore 6 elettronico di potenza ed ? direttamente collegata ai due dispositivi di pilotaggio del gate. Ovvero esiste un collegamento elettrico (fisico) tra l?unit? di controllo ed i due dispositivi di pilotaggio del gate ed esiste un ulteriore collegamento elettrico (fisico) tra i due dispositivi di pilotaggio del gate ed i moduli 10 di potenza. In ciascun convertitore 6 elettronico di potenza, tutta la logica di controllo ? implementata nella unit? di controllo che costituisce il ?cervello? del convertitore 6 elettronico di potenza.
Secondo quanto illustrato nella figura 4, ciascun contenitore 9 comprende all?incirca una forma parallelepipeda ed ? costituita da un corpo 13 a tazza inferiore e da un coperchio (non illustrato) che viene fissato al corpo 13 a tazza. I gruppi 11 di moduli 10 di potenza, i due condensatori 12 ed i due dispositivi di pilotaggio del gate sono alloggiati (fissati) nel corpo 13 a tazza mentre l?unit? di controllo ? alloggiata (fissata) nel coperchio (non illustrato).
Ciascun convertitore 6 elettronico di potenza comprende un sistema 14 di raffreddamento provvisto di una camera 15 che ? ricavata dentro al contenitore 9 ed al cui interno viene fatto circolare un liquido di raffreddamento. Secondo quanto illustrato nella figura 2, i sistemi 14 di raffreddamento dei due convertitori 6 elettronici di potenza sono collegati ad un circuito idraulico configurato per fare circolare un liquido di raffreddamento attraverso le camere 15. In particolare, ciascun camera 15 comprende un singolo ingresso 16 disposto centralmente (ovvero in mezzo alla camera 15) e due uscite 17 disposte lateralmente (ovvero in corrispondenza delle estremit? opposte della camera 15). In ciascuna camera 15, il liquido di raffreddamento ?freddo? entra dall?ingresso 16 disposto centralmente e si divide in due flussi simmetrici ed opposti in modo tale che il liquido di raffreddamento ?caldo? esca met? a destra (ovvero da un lato) e met? a sinistra (ovvero dall?altro lato) attraverso le due uscite 17 disposte lateralmente. Ciascuna uscita 17 ? collegata con un corrispondente motore 4 elettrico in modo tale che il liquido di raffreddamento che esce dalla camera 15 di un convertitore 6 elettronico di potenza entri nei due motori 4 elettrici dopo essere stato diviso in due flussi simmetrici ed opposti dentro alla camera 15.
Secondo quanto illustrato nelle figure 5 e 6, in ciascun convertitore 6 elettronico di potenza la camera 15 ? delimitata da una parte da una parete 18 inferiore del corpo 13 a tazza del contenitore 9 (la parete 18 inferiore ? opposta al coperchio) e dall?altra parte da una parete 19 di contenimento che ? disposta ad una certa distanza dalla parete 18 inferiore stessa. In particolare, la parete 19 di contenimento ? pi? piccola della parete 18 inferiore ed ? fissata a tenuta alla parete 18 inferiore stessa (tipicamente con l?interposizione di una guarnizione visibile nella figura 6); secondo una preferita forma di attuazione, la parete 19 di contenimento ? fissata alla parete 18 inferiore mediante delle viti che attraversano degli occhielli presenti nella parete 19 di contenimento e si avvitano in fori filettati ricavati nella parete 18 inferiore.
Secondo quanto meglio illustrato nella figura 7, l?ingresso 15 e le uscite 16 della camera 15 sono ricavati attraverso la parete 18 inferiore del corpo 13 a tazza.
Secondo quanto meglio illustrato nella figura 3, i due gruppi 11 di moduli 10 di potenza ed i due condensatori 12 sono direttamente montati sulla parete 19 di contenimento, ovvero sono a diretto contatto con la parete 19 di contenimento.
Secondo quanto illustrato nelle figure 5 e 6, preferibilmente la parete 19 di contenimento comprende due aperture 20 passanti che riproducono in negativo la forma dei gruppi 11 di moduli 10 di potenza e vengono chiuse a tenuta (tipicamente con l?interposizione di una guarnizione visibile nelle figure 5 e 6) dai gruppi 11 di moduli 10 di potenza; in questo modo, una parete inferiore dei moduli 10 di potenza viene direttamente lambita (toccata) dal liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15 e quindi trasferisce direttamente il calore al liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15. Ovvero la parete inferiore dei moduli 10 di potenza costituisce parte della parete superiore della camera 15 e quindi ? a diretto contatto con il liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15.
Preferibilmente, la parete 19 di contenimento comprende due aperture 21 passanti che riproducono in negativo la forma dei condensatori 12 e vengono chiuse a tenuta (tipicamente con l?interposizione di una guarnizione visibile nelle figure 5 e 6) dai condensatori 12; in questo modo, una parete inferiore dei condensatori 12 viene direttamente lambita (toccata) dal liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15 e quindi trasferisce direttamente il calore al liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15. Ovvero la parete inferiore dei condensatori 12 costituisce parte della parete superiore della camera 15 e quindi ? a diretto contatto con il liquido di raffreddamento che si trova nella camera 15.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, ciascun convertitore 6 elettronico di potenza presenta due gruppi 11 di moduli 10 di potenza e quindi due condensatori 12; secondo una diversa forma di attuazione non illustrata ciascun convertitore 6 elettronico di potenza presenta solo un gruppo 11 di moduli 10 di potenza e quindi un solo condensatore 12.
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione.
Il convertitore 6 elettronico di potenza sopra descritto presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, il sistema 14 di raffreddamento del convertitore 6 elettronico di potenza sopra descritto ? estremamente efficace, ovvero ? in grado di assicurare che la temperatura di lavoro dei moduli 10 di potenza e dei condensatori 12 non sia mai troppo elevata.
Inoltre, il sistema 14 di raffreddamento del convertitore 6 elettronico di potenza sopra descritto ? molto efficiente in quanto utilizza una ridotta portata del liquido di raffreddamento.
Infine, il convertitore 6 elettronico di potenza del convertitore 6 elettronico di potenza sopra descritto ? estremamente compatto e presenta un costo ed una complessit? di produzione ridotti.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE
1 veicolo
2 ruote
sistema di motopropulsione
motore elettrico
trasmissione
convertitore elettronico di potenza sistema di accumulo di energia elettrica impianto elettrico ad alta tensione contenitore
moduli di potenza
gruppo
condensatore
corpo a tazza
sistema di raffreddamento
camera
ingresso
uscite
parete inferiore
parete di contenimento
aperture passanti
aperture passanti

Claims (14)

R I V E N D I C A Z I O N I
1) Convertitore (6) elettronico di potenza per il controllo di almeno un motore (4) elettrico di un veicolo (1); il convertitore (6) elettronico di potenza comprende:
almeno un gruppo (11) di moduli (10) di potenza, ciascuno dei quali ? atto ad alimentare in corrente alternata una singola fase del motore (4) elettrico;
almeno un condensatore (12) collegato in parallelo ad un ingresso in corrente continua;
un contenitore (9) che alloggia il gruppo (11) di moduli (10) di potenza ed il condensatore (12) ed ? provvisto di un corpo (13) a tazza provvisto di una parete (18) inferiore; ed
un sistema (14) di raffreddamento provvisto di una camera (15) configurata per venire attraversata da un liquido di raffreddamento;
il convertitore (6) elettronico di potenza ? caratterizzato che la camera (15) del sistema (14) di raffreddamento ? delimitata da una parte dalla parete (18) inferiore del corpo (13) a tazza del contenitore (9) e dall?altra parte da una parete (19) di contenimento che ? disposta ad una certa distanza dalla parete (18) inferiore stessa.
2) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 1, in cui la parete (19) di contenimento ? pi? piccola della parete (18) inferiore ed ? fissata a tenuta alla parete (18) inferiore stessa.
3) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il gruppo (11) di moduli (10) di potenza ? direttamente montato sulla parete (19) di contenimento.
4) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 3, in cui la parete (19) di contenimento comprende una prima apertura (20) passante che riproduce in negativo la forma del gruppo (11) di moduli (10) di potenza ed ? chiusa a tenuta dal gruppo (11) di moduli (10) di potenza stesso in modo tale che una parete inferiore dei moduli (10) di potenza viene direttamente lambita dal liquido di raffreddamento che si trova nella camera (15).
5) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il condensatore (12) ? direttamente montato sulla parete (19) di contenimento.
6) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 5, in cui la parete (19) di contenimento comprende una seconda apertura (21) passante che riproduce in negativo la forma del condensatore (12) ed ? chiusa a tenuta dal condensatore (12) stesso in modo tale che una parete inferiore del condensatore (12) viene direttamente lambita dal liquido di raffreddamento che si trova nella camera (15).
7) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 e comprendente due gruppi (11) di moduli (10) di potenza che sono atti ad alimentare in corrente alternata le fasi di due diversi motori (4) elettrici e sono disposti su due estremit? opposte del contenitore (9).
8) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 7, in cui il condensatore (12) ? disposto in mezzo ai due gruppi (11) di moduli (10) di potenza.
9) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 7 e comprendente due condensatori (12) che sono disposti uno di fianco all?altro in mezzo ai due gruppi (11) di moduli (10) di potenza.
10) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 7, 8 o 9, in cui la camera (15) presenta un singolo ingresso (16) del liquido di raffreddamento disposto centralmente e due uscite (17) del liquido di raffreddamento disposte lateralmente.
11) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 10, in cui ciascuna uscita (17) del liquido di raffreddamento ? collegabile ad un corrispondente motore (4) elettrico.
12) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11 e comprendente almeno un dispositivo di pilotaggio del gate che ? disposto sopra al gruppo (11) di moduli (10) di potenza.
13) Convertitore (6) elettronico di potenza secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12 e comprendente una unit? di controllo che ? alloggiata in coperchio che ? accoppiato al contenitore ed ? opposto alla parete (18) inferiore.
14) Veicolo (1) comprendente:
due ruote (2) anteriori;
due ruote (2) posteriori;
almeno due motori (4) elettrici che sono collegati alle due ruote (2) di uno stesso assale; ed
un convertitore (6) elettronico di potenza secondo la rivendicazione 11 ed in cui ciascuna uscita (17) del liquido di raffreddamento ? collegata ad un corrispondente motore (4) elettrico.
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