IT202100021365A1 - Metodo di controllo per un assale di trazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

?METODO DI CONTROLLO PER UN ASSALE DI TRAZIONE?

La presente invenzione riguarda il settore tecnico dei sistemi a trazione elettrica.

In particolare, la presente invenzione riguarda un metodo di controllo vantaggiosamente utilizzabile per gestire il funzionamento di un assale di trazione che comprende una macchina elettrica a configurazione variabile, ovvero una macchina elettrica che pu? essere commutata tra pi? differenti configurazioni di funzionamento.

Operativamente, la commutazione della macchina elettrica permette di modificarne una o pi? caratteristiche prestazionali in modo tale da adattarla alle specifiche esigenze di utilizzo che possono sorgere durante il suo funzionamento.

Tale aspetto risulta particolarmente rilevante nel settore automotive, specificatamente nel caso la macchina elettrica sia un motore elettrico per veicoli a propulsione elettrica o ibrida endotermica-elettrica.

Infatti, in tale settore ? chiara la necessit? di poter variare con una certa frequenza i parametri operativi della macchina (quindi complessivamente dell?assale di trazione) per poterla adattare alle varie esigenze di guida che possono presentarsi (per esempio muoversi a velocit? limitata in ambito cittadino o in presenza di traffico oppure muoversi a velocit? maggiore in autostrada o in assenza di traffico).

Tuttavia, nel contesto sopra delineato sono ancora presenti alcune inefficienze che peggiorano le prestazioni delle macchine elettriche, rendendole intrinsecamente poco versatili ed inadatte ad operare in contesti di funzionamento differenti.

Infatti, alcune caratteristiche di funzionamento risultano ottimizzate per una specifica configurazione della macchina ma causano una perdita di prestazione quando tale configurazione viene modificata.

Un esempio di particolare rilievo ? dato dalla frequenza di switching dell?inverter preposto a gestire l?erogazione di corrente ai componenti della macchina finalizzati a convertirla in energia meccanica.

L?inverter pu? essere infatti operato con una logica di controllo a modulazione di larghezza di impulso (Pulse width modulation ? PWM) con parametri di funzionamento, tra cui figura appunto la frequenza di switching, specificatamente ottimizzati per una determinata configurazione della macchina elettrica.

Tali parametri per? possono risultare inefficienti quando la macchina cambia configurazione.

Per esempio, considerando i parametri del sistema di alimentazione della macchina costanti nel tempo, in due differenti configurazioni cambiano i parametri operativi della macchina (per esempio ed in particolare la sua resistenza e l?induttanza), dando luogo ad un ripple di corrente che peggiora la stabilit? complessiva della macchina.

Operativamente, passando da una prima configurazione ad una seconda configurazione in cui variano la resistenza e/o l?induttanza della macchina si genera automaticamente anche un proporzionale, in particolare inversamente proporzionale, aumento nella corrente di ripple.

Per compensare questo problema sarebbe possibile impostare per l?inverter una frequenza di switching elevata, tuttavia la maggiore frequenza di switching presenterebbe/causerebbe maggiori perdite nella prima configurazione (per la quale risultano al contrario ottimali basse frequenze di switching) penalizzando il rendimento complessivo della macchina elettrica.

Risulta quindi evidente come allo stato attuale sia fortemente sentita la necessit? di sviluppare nuove tecnologie in grado di permettere un miglioramento delle prestazioni degli assali di trazione dotati di macchine elettriche configurate per operare in una pluralit? di distinte configurazioni. Tale problematica riguarda in particolare l?ambito dei motori elettrici utilizzati in ambito automotive, in cui ? particolarmente desiderato poter garantire un ottimale funzionamento in qualunque condizione operativa. In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione ? proporre un metodo di controllo che superi almeno alcuni degli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.

In particolare, ? scopo della presente invenzione mettere a disposizione un metodo di controllo in grado di ottimizzare le prestazioni dell?assale di trazione indipendentemente dalla specifica configurazione elettrica assunta dalla sua macchina elettrica.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un metodo di controllo, comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o pi? delle unite rivendicazioni.

Secondo la presente invenzione viene mostrato un metodo di controllo per un assale di trazione .

In particolare, il metodo ? vantaggiosamente applicabile ad un assale di trazione comprendente una macchina elettrica a configurazione variabile, almeno un dispositivo di commutazione attivabile per modificare una configurazione elettrica della macchina elettrica ed un inverter, in particolare un inverter pilotato con logica PWM.

Il metodo ? eseguito modificando una frequenza di switching dell?inverter durante un cambio di configurazione della macchina elettrica selezionando in particolare una frequenza di switching predefinita univocamente associata alla configurazione assunta dalla macchina elettrica dopo l?attivazione del dispositivo di commutazione.

Vantaggiosamente, il metodo qui presentato permette di ottimizzare il funzionamento dell?assale di trazione, adattando in maniera automatica il funzionamento di alcuni suoi componenti, in particolare il suo inverter, in funzione della configurazione assunta dalla macchina elettrica in un dato momento.

Le rivendicazioni dipendenti, qui incorporate per riferimento, corrispondono a differenti forme di realizzazione dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un metodo di controllo, come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1A e 1B mostrano l?andamento temporale della corrente in una macchina elettrica facente parte di un assale il cui funzionamento ? controllato con metodi noti;

- le figure 2A e 2B mostrano l?andamento temporale della corrente in una macchina elettrica facente parte di un assale il cui funzionamento ? controllato con il metodo secondo la presente invenzione.

Secondo un primo aspetto, la presente invenzione concerne un metodo di controllo per un assale di trazione, in particolare un assale di trazione che comprende una macchina elettrica a configurazione variabile.

In altre parole, il metodo permette di controllare il funzionamento di un assale che comprende una macchina elettrica che pu? operare in una pluralit? di configurazioni differenti, ciascuna delle quali ? caratterizzata da una specifica combinazione di parametri di funzionamento che ne determinano le prestazioni.

Pertanto, la macchina elettrica pu? essere facilmente adattata ad operare in una pluralit? di contesti differenti semplicemente modificandone la configurazione a seconda delle esigenze.

In particolare, il metodo permette di controllare, ovvero monitorare e variare, tali parametri operativi al fine di mantenere le prestazioni della macchina, e quindi complessivamente dell?intero assale, a livelli ottimali indipendentemente dalla specifica configurazione assunta in un determinato momento.

Strutturalmente, l?assale comprende oltre alla macchina elettrica un inverter ed almeno un dispositivo di commutazione attivabile per modificare una configurazione elettrica della macchina.

L?inverter ? configurato per gestire l?alimentazione di energia elettrica alla macchina elettrica in modo tale da permetterne una trasformazione in energia meccanica, ricevendola in ingresso da un?opportuna sorgente, quale ad esempio una o pi? batterie.

In maggiore dettaglio, l?inverter ? preferibilmente controllato/pilotato secondo una modulazione di larghezza di impulso (Pulse Width Modulation -PWM-).

Il dispositivo di commutazione ? invece operabile in modo tale da variare le condizioni operative della macchina elettrica, modificandone le connessioni tra alcuni dei suoi elementi costitutivi al fine di adattarne il funzionamento a seconda delle esigenze.

In particolare, la macchina elettrica comprende una pluralit? di fasi e il dispositivo di commutazione ? attivabile per connettere tra loro le fasi in modo tale da definire in un dato momento almeno una delle seguenti configurazioni: una configurazione a triangolo, una configurazione a stella, una configurazione in serie, una configurazione in parallelo.

Vantaggiosamente, l?assale di trazione pu? comprendere pi? di un dispositivo di commutazione in cui ciascuno di tali dispositivi di commutazione ? attivo e interagente con tutte le fasi o con un rispettivo gruppo di fasi, ovvero ? in grado di connettere tra loro differenti gruppi di fasi risultando pertanto adatto e configurato per definire differenti connessioni tra di esse permettendo quindi la definizione e l?assunzione da parte della macchina di distinte configurazioni.

Per esempio, l?assale di trazione pu? comprendere un primo dispositivo di commutazione operante sulle fasi o su un gruppo di fasi in modo tale da commutarle tra una configurazione in serie ed una configurazione in parallelo ed un secondo dispositivo di commutazione operante sulle fasi o su un gruppo di fasi in modo tale da commutarle tra una configurazione a stella ed una configurazione a triangolo.

Pertanto, possono essere presenti due dispositivi di commutazione in modo tale che la macchina elettrica risulti commutabile tra le seguenti configurazioni: una configurazione a stella-parallelo, una configurazione a stella-serie, una configurazione triangolo-parallelo, una configurazione triangolo-serie.

Negli assali di tipo noto l?inverter viene fatto operare ad una frequenza di switching predefinita indipendentemente dalla specifica configurazione assunta dalla macchina elettrica, ovvero ? mantenuta costante la frequenza dei cicli di alimentazione di corrente continua all?inverter.

L?inverter opera quindi ad una frequenza di switching che risulta ottimale solamente al massimo per una delle possibili configurazioni assumibili dalla macchina elettrica.

Facendo riferimento alle figure 1A e 1B in cui sono rispettivamente illustrate due distinte configurazioni di funzionamento di una macchina elettrica in cui la seconda configurazione (mostrata in figura 1B) ? caratterizzata da parametri strutturali differenti, in particolare e ad esempio una resistenza e/o un?induttanza minori, rispetto alla prima configurazione (mostrata in figura 1A), si pu? osservare come la metodologia di controllo nota risulti inefficiente.

Infatti, se la frequenza di switching ? selezionata per operare in condizioni ottimali nella prima configurazione si generer? un significativo ripple di corrente quando la macchina viene portata nella seconda configurazione. Al contrario un valore di frequenza di switching selezionato per operare in maniera ottimale con la seconda configurazione comporterebbe delle inefficienze quando la macchina elettrica ? nella prima configurazione. La selezione di un valore intermedio risulterebbe anch?essa insoddisfacente in quanto rappresenterebbe una soluzione di compromesso in cui la macchina non opera mai in condizioni ottimali, pur mitigando le inefficienze che si hanno invece quando la frequenza di switching ? ottimizzata per una configurazione e la macchina elettrica opera in una configurazione differente.

Operativamente, il metodo risolve il problema sopra evidenziato modificando la frequenza di switching dell?inverter durante un cambio di configurazione

Infatti, durante l?attivazione del dispositivo di commutazione, quindi durante l?esecuzione della riconfigurazione della macchina elettrica, l?inverter risulta disaccoppiato/disattivato rispetto agli altri componenti della macchina elettrica stessa ed ? quindi possibile variarne alcuni parametri operativi senza il rischio di danneggiamento di quest?ultima.

Specificatamente, la frequenza di switching selezionata per l?inverter ? una frequenza di switching predefinita ed univocamente associata alla configurazione che assume la macchina elettrica dopo l?attivazione del dispositivo di commutazione.

In altre parole, ad ogni singola possibile configurazione assumibile dalla macchina elettrica per mezzo dell?attivazione del dispositivo di commutazione (o dei dispositivi di commutazione qualora ne sia presente pi? di uno) ? univocamente associata una distinta frequenza di switching. Ogniqualvolta si determina un cambio di configurazione della macchina, cio? viene quindi attivato il dispositivo di commutazione, durante il cambio (quindi in un momento in cui l?inverter non ? in funzione) si opera anche un cambio della frequenza di switching dell?inverter, in modo tale da garantire che questo parametro presenti sempre il valore ottimale tale da massimizzare le prestazioni complessive della macchina elettrica.

In particolare, la frequenza di switching dell?inverter ? determinata in funzione della configurazione verso la quale l?attivazione del dispositivo di commutazione sta portando la macchina elettrica.

Come mostrato nelle figure 2A e 2B si pu? osservare che l?applicazione del metodo qui descritto permette di eliminare i problemi derivanti dal ripple di corrente e dalla perdita di efficienza, i quali non si manifestano in quanto in ogni configurazione l?inverter opera alla frequenza di switching ottimale per quella specifica configurazione.

A titolo puramente esemplificativo, si osserva quindi che nel caso in cui vengano prese in considerazioni due distinte configurazioni in cui nel passaggio tra una prima configurazione caratterizzata da una configurazione delle fasi in serie ad una seconda caratterizzata da una configurazione delle fasi in parallelo si manifesta un decremento dei parametri strutturali di funzionamento della macchina elettrica (specificatamente la sua resistenza e sulla sua induttanza) che d? luogo ad un incremento del ripple della corrente erogata alla macchina elettrica per come viene processata dall?inverter.

Nel contesto appena delineato, la variazione della frequenza di switching, in particolare un suo incremento proporzionale, in particolare inversamente proporzionale, all?incremento dei parametri strutturali, permette di compensare il ripple di corrente mantenendo complessivamente l?assale di trazione in condizioni operative ottimali.

Preferibilmente, la frequenza di switching predefinita associata a ciascuna possibile configurazione ? pertanto determinata in funzione di almeno un parametro strutturale della macchina elettrica quando nella rispettiva configurazione.

In altre parole, i valori ottimali per la frequenza di switching dell?inverter vengono definiti in funzione dei valori assunti dai parametri strutturali della macchina elettrica nelle varie configurazioni utilizzabili.

Tali parametri strutturali sono o comprendono in particolare i gi? citati parametri rappresentati dalla sua resistenza e/o dalla sua induttanza.

Quanto sopra non esclude per? che l?analisi sui potenziali valori della frequenza di switching venga effettuata misurando o calcolando differenti od ulteriori parametri e loro possibili combinazioni che caratterizzano il funzionamento della macchina elettrica nelle varie configurazioni che pu? assumere.

I parametri strutturali possono anche tenere conto ulteriormente di caratteristiche generali dell?assale di trazione che possono influire sul funzionamento della macchina elettrica.

In generale, il rapporto tra le frequenze di switching predefinite associate a due configurazioni distinte ? proporzionale al rapporto tra i valori assunti dal parametro strutturale nelle medesime due configurazioni.

Pertanto, misurando le variazioni dei parametri strutturali nelle varie configurazioni ? possibile determinare in maniera rapida ed efficiente lo specifico valore della frequenza di switching ottimale che pu? minimizzare il ripple di corrente.

Per ottimizzare ulteriormente l?efficacia della variazione di frequenza di switching sulla riduzione del ripple di corrente, il metodo pu? essere vantaggiosamente eseguito monitorando in maniera continua il ripple di corrente (o una grandezza ad esso correlata) andando quindi a variare la frequenza di switching predefinita associata alla configurazione assunta in quel momento dalla macchina elettrica in funzione del valore di ripple misurato.

In particolare, il valore di ripple (o una grandezza ad esso correlata) viene continuamente misurato e qualora ecceda una soglia predefinita (per esempio una predeterminata percentuale del valore di corrente totale) ? possibile modificare la frequenza di switching associata ad una determinata configurazione perch? quella attuale non ? o non ? pi? precisamente ottimizzata per minimizzare il ripple della corrente.

Infatti, il valore del ripple della corrente potrebbe essere influenzato da fluttuazioni/variazioni di alcuni parametri che variano nel tempo della macchina elettrica (o in generale dell?assale di trazione), per esempio del suo sistema di alimentazione, o di parametri ambientali esterni alla macchina.

Risulta quindi vantaggioso il monitoraggio diretto o indiretto del ripple di corrente al fine di ottenere utili informazioni che possono essere sfruttate per migliorare la selezionate della specifica frequenza di switching predefinita associata ad una determinata configurazione.

Tale variazione pu? essere fatta ad intervalli regolari, per esempio durante operazioni di revisione e/o manutenzione della macchina elettrica.

Vantaggiosamente, la presente invenzione raggiunge gli scopi proposti superando gli inconvenienti lamentati nella tecnica nota mettendo a disposizione dell?utente un metodo di controllo per un assale di trazione che permette di ottimizzarne il funzionamento indipendentemente dalla specifica configurazione assunta dalla sua macchina elettrica.

Tale risultato ? ottenuto variando la frequenza di switching dell?inverter che controlla l?alimentazione di energia elettrica alla macchina in funzione della specifica configurazione assunta.

Forma altres? oggetto della presente invenzione un sistema di controllo per un assale di trazione comprendente una macchina elettrica, in particolare una macchina elettrica presentante una o pi? delle caratteristiche sopra identificate, un dispositivo di commutazione ed un inverter.

Strutturalmente il sistema comprende un?unit? di controllo attiva sull?inverter dell?assale per pilotarlo preferibilmente secondo una logica PWM.

L?unit? di controllo ? ulteriormente configurata per modificare la frequenza di switching dell?inverter durante un cambio di configurazione della macchina elettrica.

In altre parole, ogniqualvolta viene eseguito un cambio di configurazione l?unit? di controllo si attiva per variare la frequenza di switching dell?inverter, impostando nello specifico una frequenza di switching predefinita univocamente associata alla configurazione verso la quale la macchina elettrica sta commutando, ovvero la configurazione assunta dalla macchina elettrica dopo l?attivazione del dispositivo di commutazione.

Operativamente, appena viene attivato il dispositivo di commutazione l?inverter viene disattivato o disaccoppiato dagli altri componenti della macchina e l?unit? di controllo entra in funzione identificando la configurazione verso la quale si sta commutando la macchina elettrica e modificando la frequenza di switching dell?inverter prima che venga portato a termine il cambio, ovvero prima che l?inverter ritorni operativo.

Vantaggiosamente, il sistema pu? ulteriormente comprendere una memoria editabile configurata per memorizzare la frequenza di switching predefinita univocamente associata a ciascuna distinta configurazione assumibile dalla macchina elettrica.

In particolare, ? possibile memorizzare la pluralit? di frequenze di switching predefinite prima, durante o dopo l?installazione del sistema sulla macchina elettrica.

In questo modo ? possibile preimpostare sulla base di parametri noti ideali le varie frequenze di switching predefinite e anche modificarle in funzione dei dati reali di funzionamento della macchina elettrica (o pi? in generale dell?assale) e di come quest?ultimi variano nel tempo.

Infatti, nel tempo le caratteristiche della macchina elettrica potrebbero variare ed in questo modo ? possibile mantenere prestazioni ottimali in ogni contesto.

In generale la modifica o la selezione della frequenza di switching predefinita associata ad una determinata configurazione pu? anche essere effettuata in maniera dinamica tenendo conto dell?effettivo funzionamento in tempo reale della macchina.

A tal fine il sistema pu? altres? comprendere uno o pi? sensori di corrente associati all?assale di trazione e configurati per monitorare almeno un valore di ripple di almeno una corrente elettrica all?interno dell?assale di trazione, sia essa la corrente di una fase, una media delle correnti delle tre fasi o una corrente ad esse correlata.

Alternativamente, il valore di ripple della corrente elettrica erogata alla macchina elettrica potrebbe essere rilevato indirettamente, a mezzo della trasformazione di segnali provenienti da altri sensori, non necessariamente di corrente e/o non dedicati, o mediante appositi algoritmi di stima o calcolo.

In funzione del valore misurato l?unit? di controllo pu? variare il valore della frequenza di switching predefinito associato alla configurazione assunta in quel momento dalla macchina elettrica.

Le informazioni acquisite dal sensore possono essere anch?esse memorizzate sulla memoria editabile in maniera tale da permetterne una successiva analisi.

Tale sistema permette quindi di ottimizzare il funzionamento dell?assale di trazione andando a variare i parametri di funzionamento dei suoi componenti, specificatamente la frequenza di switching del suo inverter, per adattarli alla configurazione assunta in un dato momento dalla sua macchina elettrica, ottenendo in questo modo un miglioramento complessivo delle sue prestazioni.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI

1. Metodo di controllo per un assale di trazione comprendente una macchina elettrica a configurazione variabile, almeno un dispositivo di commutazione attivabile per cambiare una configurazione elettrica di detta macchina elettrica ed un inverter, in cui il metodo comprende una fase di modificare una frequenza di switching di detto inverter durante un cambio di configurazione della macchina elettrica, selezionando una frequenza di switching predefinita univocamente associata alla configurazione assunta dalla macchina elettrica dopo l?attivazione del dispositivo di commutazione.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta frequenza di switching predefinita ? determinata in funzione di almeno un parametro strutturale della macchina elettrica quando nella rispettiva configurazione.

3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui il rapporto tra le frequenze di switching predefinite associate a due configurazioni distinte ? proporzionale al rapporto tra i valori assunti dal parametro strutturale in dette due configurazioni.

4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detto almeno un parametro strutturale comprende almeno uno tra un?induttanza e una resistenza della macchina elettrica.

5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una fase di monitorare almeno un valore di ripple di almeno una corrente elettrica all?interno dell?assale di trazione e una fase di modificare la frequenza di switching predefinita associata ad almeno una configurazione della macchina elettrica in funzione di detti uno o pi? valori di ripple.

6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la macchina elettrica comprende una pluralit? di fasi e l?almeno un dispositivo di commutazione ? attivabile per connettere detta pluralit? di fasi in almeno una delle seguenti configurazioni: una configurazione a triangolo, una configurazione a stella, una configurazione in serie, una configurazione in parallelo, preferibilmente la macchina elettrica comprende due dispositivi di commutazione configurati per commutare la macchina elettrica tra le seguenti configurazioni: una configurazione a stella-parallelo, una configurazione a stella-serie, una configurazione triangolo-parallelo, una configurazione triangolo-serie.

7. Sistema di controllo per un assale di trazione comprendente una macchina elettrica a configurazione variabile, almeno un dispositivo di commutazione attivabile per modificare una configurazione elettrica di detta macchina elettrica ed un inverter; detto sistema comprendendo un?unit? di controllo accoppiabile all?assale di trazione e configurata per modificare una frequenza di switching di detto inverter durante un cambio di configurazione della macchina elettrica selezionando una frequenza di switching predefinita univocamente associata alla configurazione assunta dalla macchina elettrica dopo l?attivazione del dispositivo di commutazione.

8. Sistema secondo la rivendicazione 7, comprendente una memoria editabile configurata per memorizzare la frequenza di switching predefinita associata a ciascuna configurazione.

9. Sistema secondo la rivendicazione 7 o 8, comprendente almeno un sensore configurato per monitorare un valore di ripple di almeno una corrente elettrica all?interno dell?assale di trazione, detta unit? di controllo essendo configurata per variare la frequenza di switching predefinita associata ad almeno una configurazione della macchina elettrica in funzione di detti uno o pi? valori di ripple.