ITTO20101007A1

ITTO20101007A1 - Sistema di controllo della velocita' di rotazione di un elettroventilatore associato a scambiatori di calore di un autoveicolo

Info

Publication number: ITTO20101007A1
Application number: IT001007A
Authority: IT
Inventors: Davide Cerrato; Pierfranco Pangella
Original assignee: Gate Srl
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2012-06-17
Also published as: US20120153880A1; DE102011056256A1; CN102536867B; IT1404232B1; US9035583B2; CN102536867A

Description

"Sistema di controllo della velocitÃ di rotazione di un elettroventilatore associato a scambiatori di calore di un autoveicolo"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema di controllo della velocitÃ di un elettroventilatore di raffreddamento, includente una girante azionata da un motore elettrico in corrente continua ed associato ad uno o piÃ¹ scambiatori di calore montati in un autoveicolo in modo tale per cui l'avanzamento dell'autoveicolo Ã ̈ suscettibile di indurre un flusso d'aria che investe la girante dell'elettroventilatore e ne provoca una rotazione equiversa con la rotazione provocata dall'associato motore elettrico.

PiÃ¹ specificamente, l'invenzione ha per oggetto un siffatto sistema di controllo comprendente un circuito di pilotaggio del motore dell'elettroventilatore, collegato al sistema elettrico dell'autoveicolo e comprendente una pluralitÃ di commutatori elettronici controllati, e

un'unitÃ elettronica di controllo predisposta per comandare detto circuito di pilotaggio in modo da tale da far circolare nel motore dell'elettroventilatore una corrente media variabile, sufficiente a raggiungere una velocitÃ di rotazione richiesta del motore dell'elettroventilatore secondo una relazione o legge predeterminata.

Nella figura 1 dei disegni allegati Ã ̈ schematicamente rappresentata l'architettura di un siffatto sistema di controllo secondo la tecnica anteriore. Incidentalmente, anche un sistema di controllo secondo la presente invenzione presenta essenzialmente la medesima architettura.

Nella figura 1 con EP Ã ̈ complessivamente indicato un cosiddetto "pacco" di scambiatori di calore, montato nel vano anteriore "sotto-cofano" di un autoveicolo e a cui Ã ̈ associato un elettroventilatore complessivamente indicato con EF. Tale elettroventilatore comprende una girante a palette BI, di tipo per sÃ© noto, azionata in rotazione da un motore elettrico in corrente continua EM. Tale motore Ã ̈ ad esempio un motore brushless, oppure un motore con spazzole, ed Ã ̈ pilotato da un circuito (driver) MDC collegato al sistema elettrico dell'autoveicolo, che comprende una batteria B.

Il circuito di pilotaggio MDC Ã ̈ a sua volta comandato da un'unitÃ elettronica di controllo ECU che puÃ² essere ad esempio la medesima unitÃ elettronica di controllo associata al motore a combustione interna dell'autoveicolo. A tale unitÃ pervengono numerose informazioni da svariati dispositivi sensori, complessivamente indicati con S nella figura 1.

L'unitÃ di controllo ECU Ã ̈ predisposta per comandare il circuito di pilotaggio MDC, secondo una relazione o legge predeterminata, quale quella che a titolo di esempio Ã ̈ qualitativamente illustrata nella figura 2, facendo circolare nel motore EM una corrente media variabile in modo da fargli raggiungere la velocitÃ di rotazione n (velocitÃ richiesta).

Nella figura 2 in ascissa sono riportati i valori di una grandezza di comando ed in ordinata sono riportati i corrispondenti valori della velocitÃ richiesta n del motore EM. A titolo di esempio la grandezza o parametro di comando consiste nel dutycycle di un segnale di comando ad onda quadra a frequenza fissa.

Come si Ã ̈ giÃ accennato in precedenza, quando l'autoveicolo avanza viene naturalmente indotta una corrente d'aria che, fluendo attraverso il pacco di scambiatori EP, va ad investire la girante BI dell'elettroventilatore EF, provocandone una rotazione equiversa con la rotazione impressa a tale girante dall'associato motore elettrico EM. L'azione esercitata da tale corrente d'aria sulla girante BI Ã ̈ nota come "wind-milling".

Alle basse velocitÃ di avanzamento dell'autoveicolo, l'azione della suddetta corrente d'aria si traduce in una riduzione della coppia che il motore EM deve sviluppare al fine di mantenere la girante BI alla velocitÃ desiderata. Si ha conseguentemente una riduzione della corrente media e del consumo di energia a carico della batteria B.

Alle velocitÃ di avanzamento piÃ¹ elevate, l'entitÃ della coppia motrice agente sulla girante BI dell'elettroventilatore per effetto del windmilling puÃ² crescere al punto che tale girante BI si trova a ruotare ad una velocitÃ piÃ¹ elevata della velocitÃ n richiesta.

Gli attuali sistemi di controllo della velocitÃ di rotazione dell'elettroventilatore in una tale condizione lasciano che la girante BI ruoti liberamente. Tale approccio, invero semplice, presenta taluni inconvenienti, quale il rumore acustico e le vibrazioni che si vengono a generare, ed il fatto che il pacco degli scambiatori di calore EP puÃ² essere raffreddato piÃ¹ di quanto necessario.

Uno scopo della presente invenzione Ã ̈ di realizzare un sistema di controllo della velocitÃ di rotazione di un elettroventilatore di raffreddamento, il quale sistema consenta di ovviare agli inconvenienti dei sistemi secondo la tecnica anteriore nelle condizioni di wind-milling.

Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con un sistema di controllo del tipo inizialmente definito, caratterizzato dal fatto che la suddetta unitÃ di controllo Ã ̈ predisposta per memorizzare una soglia di velocitÃ di rotazione e per controllare il motore dell'elettroventilatore, tramite l'associato circuito di pilotaggio, in un modo tale per cui quando la velocitÃ di rotazione di tale motore supera detta soglia il circuito di pilotaggio provoca una frenatura elettrica di detto motore.

In un modo di realizzazione del sistema, la suddetta soglia di velocitÃ convenientemente presenta un valore costante, maggiore di od al piÃ¹ uguale a detto valore massimo nMdella velocitÃ di rotazione del motore.

In un altro modo di realizzazione la suddetta soglia di velocitÃ di rotazione convenientemente presenta valori crescenti (in modo non necessariamente monotonico) al crescere dei valori di detto parametro di comando, e per ogni valore di detto parametro il valore della soglia di velocitÃ Ã ̈ maggiore di od al piÃ¹ uguale al corrispondente valore di velocitÃ di rotazione definito dalla suddetta relazione o legge.

Vantaggiosamente, la suddetta unitÃ di controllo puÃ² essere predisposta per astenersi dal provocare una frenatura elettrica del motore dell'elettroventilatore quando il valore del suddetto parametro di comando cade all'interno di un intervallo predeterminato.

Come risulterÃ piÃ¹ chiaramente dal seguito, la frenatura elettrica del motore dell'elettroventilatore, quando necessaria, puÃ² essere realizzata in modo rigenerativo e/o dissipativo.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1, giÃ descritta, Ã ̈ una rappresentazione schematica dell'architettura di un sistema di controllo della velocitÃ di rotazione di un elettroventilatore di raffreddamento per un autoveicolo;

la figura 2, parimenti giÃ descritta, mostra una relazione o legge, di tipo per sÃ© noto, di correlazione dei valori di un parametro di comando con la velocitÃ n richiesta del motore dell'elettroventilatore;

la figura 3 Ã ̈ un diagramma analogo a quello presentato nella figura 2, utile per comprendere una possibile modalitÃ di funzionamento di un sistema di controllo secondo la presente invenzione;

la figura 4 Ã ̈ un grafico analogo a quello presentato nella figura 3, per l'illustrazione di un altro modo di funzionamento di un sistema di controllÃ² secondo l'invenzione;

la figura 5 Ã ̈ uno schema circuitale di un modo di realizzazione di un circuito di pilotaggio utilizzabile in un sistema di controllo secondo l'invenzione; e

la figura 6 Ã ̈ uno schema circuitale che mostra un altro modo di realizzazione di un circuito di pilotaggio per un sistema di controllo secondo l'invenzione.

Con riferimento alle figure 1 e 3, in un primo modo di realizzazione l'unitÃ di controllo ECU del sistema secondo l'invenzione Ã ̈ convenientemente predisposta per memorizzare una soglia di velocitÃ di rotazione tne per controllare il motore EM dell'elettroventilatore EF, tramite l'associato circuito di pilotaggio MDC, in un modo tale per cui quando la velocitÃ di rotazione effettiva del motore EM supera tale soglia tn, il circuito di pilotaggio MDC provoca una frenatura elettrica di tale motore.

Nella implementazione cui si riferisce il grafico della figura 3, la relazione o legge che lega il duty-cycle d.c. riportato in ascissa alla velocitÃ richiesta n del motore EM Ã ̈ la stessa del grafico secondo la figura 2, e la soglia di velocitÃ di rotazione tnha un valore costante, maggiore del valore massimo nMdella velocitÃ di rotazione richiesta n di detto motore.

In un modo di realizzazione non illustrato, la soglia tnpuÃ² presentare valore un valore costante uguale al valore massimo nM.

L'unitÃ di controllo ECU puÃ² essere convenientemente predisposta affinchÃ© essa si astenga dal provocare una frenatura elettrica del motore EM dell'elettroventilatore EF quando il valore del parametro in ascissa nel grafico della figura 3, quale il duty-cycle precedentemente definito, Ã ̈ superiore ad un valore X predeterminato. Per valori di detto parametro superiori a X, la girante BI viene lasciata ruotare liberamente, a velocitÃ anche superiori alla soglia tn, per consentire di ottenere una massima prestazione di raffreddamento.

Nella figura 4 Ã ̈ presentato un grafico che contiene la medesima relazione o legge delle figure 2 e 3 fra la velocitÃ richiesta n del motore EM e il duty-cycle precedentemente definito. Tale relazione o legge associa valori della velocitÃ n crescenti (in modo non monotonico), fra un valore minimo ed un valore massimo, a valori crescenti del duty-cycle riportato in ascissa. Nel modo di attuazione cui si riferisce il grafico della figura 4, la soglia di velocitÃ di rotazione tnnon presenta un valore costante, bensÃ¬ un valore crescente al crescere dei valori del duty-cycle riportato in ascissa. In particolare, per ogni valore di tale duty-cycle, l'associato valore della soglia di ve locitÃ tnÃ ̈ maggiore di o uguale al corrispondente valore della velocitÃ n. Nell'esempio non limitativo specificamente mostrato nella figura 4, la soglia di velocitÃ tncresce linearmente da un valore minimo in corrispondenza del valore nullo del dutycycle in ascissa, sino ad un valore massimo tnM.

In alternativa, l'andamento della soglia di velocitÃ tnpuÃ² coincidere con quello della relazione o legge memorizzata che correla fra loro la velocitÃ richiesta n del motore EM e il duty-cycle d.c. riportato in ascissa nel grafico della figura 4.

Anche nel caso in cui la soglia di velocitÃ tnnon Ã ̈ a valore costante, come nel grafico della figura 4, l'unitÃ di controllo ECU puÃ² essere predisposta per astenersi dal provocare una frenatura elettrica del motore EM quando il duty-cycle della figura 4 Ã ̈ superiore ad un valore X predeterminato.

In generale, per provocare la frenatura di un motore elettrico, occorre fare in modo che nei suoi avvolgimenti la corrente fluisca in senso inverso a quello normale.

Nella figura 5 Ã ̈ mostrato un circuito di pilotaggio MDC del tipo a mezzo ponte, per il controllo del motore EM dell'elettroventilatore, ove tale motore Ã ̈ di tipo brushless.

Il circuito MDC della figura 5 comprende tre transistori MOSFET, indicati con M1, M2 e M3, provvisti ciascuno di un rispettivo diodo intrinseco (o diodo "parassita" o di substrato).

I transistori M1 e M2 sono interconnessi fra loro, fra i terminali della batteria B. Il motore EM Ã ̈ collegato fra il punto di interconnessione dei transistori M1 e M2 e la massa GND, tramite il transistore M3.

I gate dei transistori M1, M2 e M3 sono collegati e controllati dall'unitÃ ECU.

Nel funzionamento i transistori M1 e M2 sono pilotati con rispettivi segnali di gate di tipo PWM, il segnale applicato al gate di M2 essendo sfasato di 180° elettrici rispetto al segnale applicato al gate di M1. Convenientemente, fra i due segnali di pilotaggio di M1 e M2 Ã ̈ prevista una cosiddetta "banda morta", per impedire la loro conduzione incrociata.

Il transistore M3 Ã ̈ permanentemente mantenuto in conduzione.

Nel funzionamento normale una corrente fluisce dal polo positivo della batteria B, attraverso il transistore M1 (quando "chiuso"), il motore EM e il transistore M3. Il motore EM ruota e genera una coppia che dipende dalla corrente media fluente attraverso di esso, la quale dipende dal duty-cycle di pilotaggio del transistore M1.

Con il circuito di pilotaggio MDC della figura 5 Ã ̈ possibile realizzare una frenatura rigenerativa del motore EM, consentendo che la corrente generata per effetto della forza controelettromotrice (backemf) sviluppata nel motore EM rifluisca verso la batteria B. E' cosÃ¬ possibile realizzare un conveniente recupero di energia applicando al motore una tensione media, che dipende dal valore del segnale PWM applicato al gate di M1, inferiore alla forza controelettromotrice BEMF.

Il valore massimo della corrente nel motore, e quindi la coppia di frenatura, possono essere limitati calcolando il valore minimo del segnale PWM applicato al gate di M1. In questa maniera si puÃ² definire il valore massimo di potenza recuperata, e si evitano condizioni incontrollate di funzionamento. Ovviamente, se la coppia applicata non Ã ̈ sufficiente, la ventola ruoterÃ ad una velocitÃ superiore a quella fissata come limite.

Nella figura 6 Ã ̈ mostrato lo schema di un circuito di pilotaggio MDC del tipo cosiddetto a ponte intero. Rispetto al circuito della figura 5, il circuito della figura 6 differisce per la presenza di un ulteriore transistore M4, collegato fra il transistore M3 ed il polo positivo della batteria B.

Con il circuito secondo la figura 6, la normale rotazione del motore EM Ã ̈ comandata pilotando il transistore M1, e M2 in modo complementare, con sfasamento di 180° elettrici rispetto ad M1, mentre il transistore M3 Ã ̈ acceso ed M4 Ã ̈ spento.

La frenatura elettrica del motore EM con lo schema della figura 6 si realizza pilotando il transistore M3, e M4 in modo complementare con sfasamento di 180° elettrici rispetto ad M3, mentre il transistore M2 Ã ̈ acceso ed M1 Ã ̈ spento.

La frenatura elettrica cosÃ¬ realizzata Ã ̈ peraltro di tipo dissipativo, ovvero non rigenerativo.

Quando sopra esposto in relazione alla figura 6 vale ovviamente, mutatis mutandis, per un inverter per un motore elettrico trifase comprendente sei commutatori elettronici anzichÃ© quattro.

In talune condizioni Ã ̈ possibile che l'energia sviluppata in fase di frenatura elettrica non possa essere recuperata, per cui puÃ² risultare conveniente disporre di un circuito di pilotaggio in grado di realizzare, selettivamente, una frenatura elettrica di tipo rigenerativo oppure di tipo dissipativo, mediante opportune impostazioni del segnale di comando di ingresso. Lo schema della figura 6 consente questa possibilitÃ .

Nella descrizione che precede, e nei disegni allegati, sono illustrati circuiti di controllo utilizzabili per il pilotaggio di motori elettrici di tipo brushless. Con piccole modifiche, di per sÃ© evidenti agli specialisti del settore, si possono realizzare corrispondenti circuiti utilizzabili per il pilotaggio di motori elettrici in corrente continua del tipo con spazzole.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto Ã ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di controllo della velocitÃ di rotazione di un elettroventilatore di raffreddamento (EF), includente una girante (BI) azionata da un motore elettrico in corrente continua (EM) e associato a uno o piÃ¹ scambiatori di calore (EP) montati in un autoveicolo in modo tale per cui l'avanzamento del veicolo Ã ̈ suscettibile di indurre un flusso d'aria che investe la girante (BI) e ne provoca una rotazione equiversa con la rotazione provocata dall'associato motore elettrico (EM); il sistema comprendendo un circuito (MDC) di pilotaggio del motore (EM) dell'elettroventilatore, collegato al sistema elettrico (B) dell'autoveicolo e comprendente una pluralitÃ di commutatori elettronici controllati (M1-M3; M1-M4), e un'unitÃ elettronica di controllo (ECU) predisposta per comandare detto circuito di pilotaggio (MDC) in modo da tale da far circolare nel motore (EM) dell'elettroventilatore (EF) una corrente media variabile atta a far raggiungere una velocitÃ di rotazione richiesta (n) del motore (EM) dell'elettroventilatore (EF) secondo una relazione o legge predeterminata (figura 2); il sistema essendo caratterizzato dal fatto che detta unitÃ di controllo (ECU) Ã ̈ predisposta per memorizzare una soglia di velocitÃ di rotazione predeterminata (tn) e per controllare il motore (EM) tramite l'associato circuito di pilotaggio (MDC) in un modo tale per cui quando la velocitÃ di rotazione del motore (EM) supera detta soglia (tn) il circuito di pilotaggio (MDC) provoca una frenatura elettrica di detto motore (EM).
2. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui detta relazione o legge associa valori della velocitÃ richiesta (n) del motore (EM), compresi fra un valore minimo (nm) ed un valore massimo (nM), a corrispondenti valori di un parametro (d.c.) da cui dipende la velocitÃ di rotazione del motore (EM), e in cui detta soglia di velocitÃ (tn) Ã ̈ un valore costante, maggiore di od al piÃ¹ uguale a detto valore massimo (nM) della velocitÃ di rotazione richiesta (n) del motore (EM).
3. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta relazione o legge associa valori della velocitÃ di rotazione richiesta (n) del motore (EM) crescenti, in un modo non necessariamente monotonico, fra un valore minimo ed un valore massimo (nM), a valori crescenti di un parametro (d.c.) da cui dipende l'intensitÃ media della corrente nel motore (EM), ed in cui detta soglia di velocitÃ di rotazione (tn) presenta un valore crescente, in modo non necessariamente monotonico, al crescere dei valori di detto parametro (d.c.); per ogni valore di detto parametro (d.c.) il valore della soglia di velocitÃ (tn) essendo maggiore di od al piÃ¹ uguale al corrispondente valore di velocitÃ di rotazione richiesta (n) del motore (EM).
4. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 3, in cui detta soglia di velocitÃ (tn) presenta un valore linearmente crescente dal valore nullo di detto parametro (d.c.) e sino ad un valore massimo (tnM) prefissato.
5. Sistema di controllo secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui l'unitÃ di controllo (E-CU) Ã ̈ predisposta per astenersi dal provocare una frenatura elettrica del motore (EM) dell'elettroventilatore (EF) quando il valore di detto parametro (d.c.) Ã ̈ superiore ad un valore (X) predeterminato.
6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di pilotaggio (MDC) Ã ̈ configurato e pilotabile in modo tale da provocare una frenatura elettrica del motore (EM) in modo rigenerativo, con alimentazione di una corrente verso la suddetta batteria (B).
7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui il circuito di pilotaggio (MDC) comprende a circuito a mezzo ponte, includente una coppia di transistori MOSFET (figura 5).
8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il circuito di pilotaggio (MDC) Ã ̈ configurato e pilotabile in modo tale da provocare una frenatura elettrica del motore (EM), con dissipazione della corrente sviluppata nella frenatura dal motore (EM).
9. Sistema di controllo secondo la rivendicazione 8, in cui il circuito di pilotaggio comprende un circuito a ponte intero, o un inverter per motore trifase includente quattro e rispettivamente sei transistori, in particolare di tipo MOSFET.
10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, in cui il circuito di pilotaggio (MDC) Ã ̈ configurato e pilotabile selettivamente in un primo od in un secondo modo, per provocare una frenatura elettrica del motore (EM) selettivamente di tipo rigenerativo o di tipo dissipativo.
11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui la corrente di frenatura del motore (EM) Ã ̈ controllata mediante un segnale PWM applicato al gate di commutatori elettronici di detto circuito di pilotaggio (MDC).