ITUB20154752A1

ITUB20154752A1 - Metodo di controllo di un elettroventilatore

Info

Publication number: ITUB20154752A1
Application number: ITUB2015A004752A
Authority: IT
Inventors: Filippis Pietro De
Original assignee: Spal Automotive Srl
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2017-04-30
Also published as: BR112018008528A2; CN108370232A; WO2017072710A1; KR20180077177A; JP2018532368A; US20180294759A1; EP3369169A1; RU2018111506A

Description

DESCRIZIONE

“METODO DI CONTROLLO DI UN ELETTROVENTILATORE”.

La presente invenzione ha per oggetto un metodo di controllo di un elettroventilatore ed in particolare un metodo di controllo del motore elettrico di un elettroventilatore in applicazioni automotive.

Nel settore automotive sono largamente impiegati elettroventilatori con funzioni di raffreddamento ed asportazione di calore da masse radianti ovvero per il raffreddamento di scambiatori di calore, ad esempio radiatori) per raffreddamento motore ( engine-cooling ), radiatori per aria condizionata, radiatori per il raffreddamento olio ( oil-cooling ).

Gli elettroventilatori comprendono, in sintesi, un motore elettrico, una elettronica di pilotaggio del motore ed una ventola azionata dal motore che definiscono l’intero sistema o azionamento.

Una peculiarità dell’elettronica di controllo è anche la possibilità di proteggere il motore elettrico e l’elettronica stessa da eventuali surriscaldamenti o sovratemperature, ad esempio determinati da condizioni di lavoro particolarmente gravose, come un’elevata temperatura ambientale, o da inconvenienti improvvisi.

In particolare, i surriscaldamenti sono delicati negli elettroventilatori comprendenti motori elettrici di tipo chiuso e/o sigillato con elettronica di controllo al proprio interno nei quali la dissipazione del calore riveste ancora maggiore importanza e deve essere significativamente accorta.

In generale, l’elettroventilatore e l’elettronica di pilotaggio sono caratterizzati da precisi intervalli di temperatura in cui il funzionamento è ottimale e sicuro e le prestazioni nominali garantite.

Nel caso in cui nel motore, pur funzionando ai valori nominali, si rileva un innalzamento della temperatura oltre i valori massimi ammissibili, occorre intervenire per proteggere l’elettronica di pilotaggio, in particolare i componenti elettronici della stessa, da possibili danneggiamenti.

Una strategia di controllo prevede, in caso di aumento della temperatura oltre i valori ammissibili, di “declassare" il motore ovvero di portarlo a lavorare in condizioni meno performanti e gravose rispetto alle condizioni e prestazioni nominali, che non vengono più garantite, per preservarne l’elettronica di pilotaggio.

Il declassamento, anche indicato come “ derating termico" serve, in pratica, ad abbassare la temperatura di lavoro del motore contrastando, ad esempio, l’incremento della temperatura esterna.

NeN’ambito di tale scenario, una delle prerogative di progetto di qualunque metodo di derating deve essere rassicurare la massima disponibilità dell’elettroventilatore ad operare a temperature il più possibile prossime ai valori limite consentiti dalle specifiche dei componenti utilizzati.

I più evoluti procedimenti di controllo per la protezione da sovratemperatura attualmente disponibili, che ricevono feedback da uno o più sensori di temperatura interni aN’azionamento, reagiscono ad un surriscaldamento deN’azionamento stesso, in particolare della scheda elettronica, riducendo la velocità di rotazione del motore controllato.

Tali procedimenti cercano di ridurre la temperatura deH’azionamento limitandone provvisoriamente le performance ovvero la velocità di rotazione del motore.

Tale tipo di derating può tuttavia risultare eccessivo, in quanto la diminuzione diretta della velocità del motore non considera quanto stia effettivamente variando la potenza elettrica assorbita, e questo fatto si traduce quasi sempre nella sovra-protezione deN’azionamento.

Se, da un lato, un simile approccio privilegia la protezione dell’elettroventilatore da potenziale rottura per eccesso di sovratemperatura dei suoi componenti, dall’altro la conseguente riduzione di performance associata potrebbe indurre problemi di surriscaldamento degli scambiatori di calore: in altre parole, l’utenza potrebbe rischiare il danneggiamento mentre l’elettroventilatore si sovra-proteggerebbe.

In generale, il drive comprende, fra gli altri componenti elettronici, un microcontrollore ed una pluralità di componenti elettronici di potenza, come ad esempio dei mosfet.

Un metodo di controllo noto prevede di monitorare la temperatura del microcontrollore, o della scheda su cui è installato, e dei mosfet di potenza; nel caso in cui la temperatura dei mosfet raggiunga una rispettiva soglia massima, il motore viene fermato.

Con riferimento alle figure 1 A e 1 B, relative a tale metodo di controllo noto, considerando la temperatura del microcontrollore, partendo da una condizione di lavoro alla velocità nominale Vn, se la temperatura del microcontrollore Tmicro raggiunge una rispettiva prima soglia Tder si attiva una procedura di declassamento delle prestazioni dell’elettroventilatore con corrispondente riduzione della velocità del motore, ad esempio con un errore proporzionale a ΔΤ, fino ad un valore Vmin oltre il quale l’elettroventi latore continua a ruotare ad una velocità costante estremamente ridotta rispetto alla velocità nominale.

Nel caso in cui la temperatura del microcontrollore continui a salire, nonostante il declassamento, fino ad una seconda soglia Tmax, il motore viene arrestato e la velocità portata a 0.

In pratica, il declassamento è gestito da un vero e proprio regolatore, ad esempio PI, basato sull’errore di temperatura; nel caso, non illustrato, in cui la temperatura del microcontrollore si abbassa nuovamente al di sotto di Tder prima dell’arresto del motore, la velocità viene nuovamente aumentata fino a Vn.

Il principale inconveniente di tale metodo di controllo e protezione è che, come accennato, in determinate condizioni, la velocità di rotazione dell’elettroventilatore potrebbe venire eccessivamente ridotta, mettendo a rischio tutto il veicolo su cui l’elettroventilatore è installato, in casi in cui la sovratemperatura sia determinata da un evento transitorio che si esaurisce in un tempo relativamente breve.

In questo contesto, compito precipuo della presente invenzione è ovviare al suddetto inconveniente.

Scopo della presente invenzione è proporre un metodo di controllo per elettroventilatore che salvaguardi maggiormente l’intero veicolo, ovviando ad un declassamento o addirittura uno spegnimento dell’elettroventilatore troppo precipitosi.

Ulteriore scopo della presente invenzione è proporre un metodo di controllo che permetta all’elettroventilatore di poter fornire il massimo delle prestazioni in temperatura compatibilmente con i limiti fisici dei componenti utilizzati, senza incorrere in pratica, in un eccesso di protezione.

Il compito tecnico precisato ed almeno gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un metodo di controllo secondo la rivendicazione 1.

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 per elettroventilatore come schematizzato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1A illustra un esempio di diagramma della temperatura del microcontrollore in funzione del tempo in un metodo di controllo di tipo noto;

la figura 1 B illustra un diagramma della velocità di rotazione del motore in funzione del tempo correlato al diagramma di figura 1A del metodo di controllo di tipo noto;

la figura 2 illustra una macchina a stati finiti che descrive il metodo di controllo secondo la presente invenzione;

la figura 3 illustra uno schema di un sistema regolatore per la regolazione della temperatura nel drive in una preferita forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 4 illustra un esempio di andamento di una grandezza di riferimento in funzione del tempo da leggersi nello schema di figura 3. Con riferimento alla figura 2, con il numero 1 è indicata una macchina a stati finiti che descrive, in linea generale, il metodo di controllo di un elettroventilatore.

L’elettroventilatore, di tipo sostanzialmente noto e non illustrato preferibilmente pilotato secondo il presente metodo, comprende, in estrema sintesi, un motore elettrico, una ventola azionata dal motore elettrico ed una scheda elettronica o elettronica di pilotaggio e controllo del motore elettrico.

La scheda elettronica è preferibilmente alloggiata all’interno del motore che a sua volta è preferibilmente del tipo chiuso a tenuta.

Più in particolare, a titolo di esempio non limitativo si fa nel seguito riferimento ad un azionamento comprendente un sistema elettronico che comanda e controlla un motore brushless trifase sinusoidale a magneti permanenti, il quale aziona a sua volta un gruppo di ventilazione (ventola e convogliatore) finalizzato al raffreddamento di gruppi di scambiatori di calore in applicazioni automotive.

La scheda elettronica comprende un microcontrollore e dei mezzi elettronici di potenza che comprendono, ad esempio e preferibilmente, dei mosfet, cui si farà esplicito riferimento, per il controllo e l’alimentazione del motore elettrico.

Il microcontrollore ha una propria temperatura TD ed i mosfet una propria temperatura TM.

Con riferimento alla figura 2, in termini di logica a stati, il presente metodo di controllo prevede tre stati di funzionamento dell’elettroventilatore.

In un primo stato, denominato NORMAL ed indicato con il riferimento 10, l’elettroventilatore opera in condizioni nominali di funzionamento fintanto che

T ≤ (T<1>!+ Λ0

dove:

T è la temperatura rilevata sulla scheda elettronica.

T è, ad esempio, la temperatura del microcontrollore o la temperatura del mosfet entrambe monitorate ovvero T=To or TM;

Ti è la temperatura massima di funzionamento nominale della scheda elettronica.

Ti è, ad esempio, la temperatura massima di funzionamento nominale del microcontrollore o la temperatura massima di funzionamento nominale del mosfet.

δι è un’isteresi sulla temperatura massima di funzionamento nominale oltre la quale si passa in derating termico.

L’isteresi è necessaria per non attivare inutilmente il metodo di controllo descritto nel dettaglio in seguito, qualora ci siano soltanto delle oscillazioni di temperatura prossime alla soglia Ti, oppure, ad esempio, la misura T sia affetta da rumore di misura.

Nel momento in cui Τ>(Τι+δι), si passa in un secondo stato, denominato DERATING ed indicato con il riferimento 20.

Nello stato di DERATING la potenza elettrica dell’azionamento viene controllata in modo da ridurre la temperatura e regolarla al valore Ti di cui sopra, come sarà di seguito descritto nel dettaglio.

Lo stato di DERATING definisce in pratica una fase di regolazione della temperatura T dell’elettronica di pilotaggio.

In pratica, un errore in temperatura rilevato alla scheda elettronica determina una regolazione della potenza elettrica assorbita dall’elettroventilatore in particolare dal motore.

Lo stato di DERATING viene mantenuto fintanto che Ti≤T<T2.

Ϊ2 è la soglia di temperatura limite di funzionamento della scheda elettronica.

T2 è, ad esempio, la temperatura massima ammissibile per il microcontrollore o la temperatura massima ammissibile per il mosfet.

T risente ovviamente della temperatura ambiente in cui sta operando l’elettroventi latore.

A partire dallo stato di DERATING se, ad esempio in virtù di una diminuzione della temperatura ambiente, la temperatura rilevata sulla scheda elettronica scende al di sotto della temperatura massima di funzionamento nominale, ovvero T<Ti, l’elettroventilatore torna gradualmente, preferibilmente secondo le modalità descritte in seguito, al funzionamento nominale, stato NORMAL.

A partire dallo stato di DERATING se viceversa, a causa di un surriscaldamento eccessivo, la temperatura rilevata sulla scheda elettronica supera la soglia limite di funzionamento della scheda elettronica ovvero T>T2 si passa in un terzo stato denominato OVER_MAX ed indicato con il riferimento 30.

Questo stato provvede ad interrompere il funzionamento dell’elettroventilatore fintanto che T≥T 1.

Quando tale condizione diventa falsa (i.e. T<Ti), il sistema torna nello stato di NORMAL e l’elettroventilatore può riprendere ad operare normalmente.

Preferibilmente, in condizioni normali di funzionamento, l’elettroventilatore è controllato in velocità (speed-control) mediante un opportuno set point di velocità, in maniera sostanzialmente nota.

Un opportuno comando non descritto informa l’azionamento della necessità di passare al suddetto controllo in potenza. Tale comando è ad esempio imposto da una centralina di controllo del veicolo su cui è installato l’elettroventilatore. Ad esempio, il passaggio al controllo in potenza interviene quando l’elettroventilatore cessa di lavorare alle condizioni nominali.

Con riferimento alla figura 3, con il riferimento 100 è indicato un sistema regolatore per la regolazione della temperatura T della scheda elettronica tramite un controllo della potenza assorbita dal motore.

Nella forma di realizzazione illustrata in esempio, il sistema 100 comprende un primo regolatore proporzionale-integrale PIPOWER indicato con il riferimento 101.

Il regolatore 101 è configurato per controllare la potenza assorbita dal motore elettrico ad un valore prefissato, producendo una conseguente variazione Afreq della frequenza elettrica di alimentazione del motore. Il regolatore 101 ha in ingresso un set-point di potenza PIN.REF ed una lettura diretta della potenza assorbita dal motore PI IN, FEEDBACK e fornisce un contributo in termini di Afreq.

II set-point di potenza PIN.REF ed il valore letto PI IN, FEEDBACK si sommano algebricamente in un nodo sommatore 102 alla cui uscita è disponibile un errore di potenza:

P|N,REF- PIlN, FEEDBACK

Un set-point di tale regolatore 101, in condizioni nominali, ovvero nello stato NORMAL suddetto, ovvero in DERATING OFF, come indicato in figura 3, proviene da un generatore di riferimento PIN.REF, indicato con il riferimento 103.

Il generatore 103 fornisce un segnale di riferimento per poter passare da un valore attuale di potenza ΡΙΝ(ΪΡΜΑΧΟΝ) ad un valore desiderato PMAX. La rampa che parte da ΡΙΝ(ΪΡΜΑΧ,ΟΝ) viene considerata dalfazionamento nel momento in cui la centralina impone il passaggio al controllo in potenza dal controllo in velocità.

L’elettroventilatore è in pratica controllato in una modalità di funzionamento a potenza costante; la potenza elettrica assorbita dal motore è la grandezza regolata e la variazione concorde della velocità di rotazione del motore ne è, in pratica, una conseguenza.

Il regolatore 101 ha preferibilmente l’uscita limitata ai seguenti valori di limitazione:

LIMPOWER.HIGH: valore massimo di uscita, impostato di default alla differenza tra una frequenza massima di regolazione in controllo PMAX , EIFreqMAx, e una frequenza massima in modalità di controllo in velocità, EIFreqNEN;

LIMPOWER.LOW: valore minimo di uscita, impostato di default a 0; in tal modo, quando si è in controllo di potenza, PIPOWER mantiene la potenza del motore a PMAX variando la frequenza elettrica tra EIFreqNEN e EIFreqMAx, ovvero, in termini di “delta-frequenza":

0 ≤ Afreq < (EIFreqMAx-ElfreqNEN).

In pratica:

LIMpowER,HiGH=EIFreqMAx-EIFreqNEN;

- LI M POWER, LOW=0 se derating OFF;

LIMpowER,LOw=-(EIFreqMAx-EIFreqMiN) se derating ON.

Fintanto che PIIN, FEEDBACK rimane inferiore a PIN.REF , Afreq è positivo, determinando un’accelerazione del motore.

Quando PIIN, FEEDBACK = PIN.REF il regolatore smette di accelerare il motore. In caso di derating termico, DERATING ON con riferimento alla figura 3, per avere, in pratica, un contributo negativo a Afreq e diminuire la potenza assorbita dal motore e quindi la sua velocità di rotazione, il regolatore 101

PIPOWER viene comandato da un regolatore proporzionale-integrale PITEMP, indicato con il riferimento 104.

Il regolatore 104 è preferibilmente sostanzialmente analogo al regolatore 101.

Il regolatore 104 riduce, con una sua dinamica, il set-point di potenza

PIIN.REF a partire da un valore di inizio derating PIN^DERATING).

II regolatore 104 ha in ingresso, tramite un nodo sommatore 105, un errore di temperatura TDERATING.REF-TFEEDBACK dove:

TDERATING,REF è il riferimento di temperatura durante la fase di derating.

TFEEDBACK è la temperatura misurata nella scheda elettronica che corrisponde alla suddetta T.

TFEEDBACK è maggiore di Τι+δι. all’innesco del derating.

In seguito l’azionamento rimane nello stato di DERATING per tutto il tempo che il feedback è maggiore uguale di T1

L’uscita del regolatore 104 è un set-point di potenza che si somma, in un nodo sommatore 106, al valore di potenza elettrica registrato nel momento in cui parte il derating PIN^DERATING) fornito da un corrispondente blocco 107.

Il nodo sommatore 106 determina un set-point decrescente per la potenza elettrica PIN.REF, illustrato ad esempio nella figura 4, fino ad un valore P IN.STEADY-STATE .

Tale set-point è fornito in ingresso, nel caso di DERATING ON, al nodo sommatore 102.

PIN,REF si assesterà ad un valore di regime nel momento in cui l’output di

PITEMP smetterà di evolvere, cioè quando l’errore di temperatura

(TDERATING.REF - TFEEDBACK) = 0.

Durante il derating LIMPCWER,LOW = -( EIFreqMAx - EIFreqMiN), cioè la differenza tra la frequenza elettrica massima e minima consentite all’azionamento in questione.

Il segno meno consente di operare con Afreq < 0 e, di conseguenza, di ottenere una decelerazione legata alla diminuzione di potenza governata da PITEMP.

Qualora la temperatura misurata sia TFEEDBACK < TDERATING.REF, l’uscita di PITEMP tornerà a crescere, aumentando il setpoint di PIPCWER, e producendo un’accelerazione sino a riportare il sistema nelle condizioni nominali di funzionamento, ovvero nello stato NORMAL.

La presente invenzione consegue importanti vantaggi.

Il metodo o algoritmo di controllo consente la protezione dei dispositivi elettrici ed elettronici nei confronti delle sovratemperature che potrebbero presentarsi durante il funzionamento dell’azionamento.

Il metodo è in pratica un procedimento di “derating termico" basato sul controllo diretto della temperatura massima ammessa per i componenti più critici mantenendola sempre al massimo limite ammissibile attraverso un controllo continuo garantendo all’utenza, in tal modo, le massime prestazioni termiche possibili.

Il suddetto algoritmo di controllo opera sul fattore “direttamente causale" delle sovratemperature interne al motore, cioè la potenza dissipata, che è direttamente correlata alla potenza assorbita dal motore stesso, invece che sul fattore “indiretto" costituito dalla velocità motore, che, al contrario, non risente di variazioni di potenza assorbita, e quindi dissipata, indotte da fenomeni quali la dinamica di velocità della vettura, il cambio di densità dell’aria per temperatura o altitudine, ecc.

Il metodo di controllo regola la massima temperatura operativa possibile in modo diretto ed accurato attraverso un controllo continuo della potenza assorbita dal motore, resa misurabile preferibilmente per mezzo dell’elaborazione dei segnali di feedback di tensione e corrente.

Inoltre, il metodo di controllo consente di poter sintetizzare la risposta, statica e dinamica, in maniera del tutto indipendente e svincolata da quelle tipiche dalle altre procedure costituenti il sistema di controllo complessivo deN’azionamento.

Ciò differisce da un sistema semplicemente controllato in velocità, in cui invece l’azionamento riceve un set-point di frequenza elettrica cui ruotare, indipendentemente dalla potenza in ingresso.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di un elettroventilatore comprendente un motore elettrico ed una elettronica di pilotaggio del motore elettrico, comprendente una fase di controllo in velocità di detto motore, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di controllo in potenza di detto motore alternativa a detta fase di controllo in velocità, detta fase di controllo in potenza comprendendo una fase di monitoraggio della potenza elettrica PIN;FEEDBACK assorbita dal motore; una fase di regolazione della potenza elettrica PIN;FEEDBACK assorbita dal motore, comprendente; una fase di applicazione di una variazione Afreq alla frequenza elettrica di alimentazione del motore in funzione di una differenza fra un set-point di potenza PIIN.REF e la potenza assorbita dal motore PIlN, FEEDBACK.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui, in un primo stato operativo di detto elettroventilatore, il set-point di potenza PIIN,REF proviene da un generatore di riferimento (103) che fornisce ad un regolatore PIPOWER (101 ) un segnale di riferimento per variare la potenza elettrica assorbita dal motore PIN;FEEDBACK da un valore misurato di potenza ΡΙΝ(ΪΡΜΑΧ,ΟΝ) assorbita ad un valore predeterminato PMAX.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2 in cui detto regolatore PIPOWER (101) è limitato in uscita fra un un valore massimo LIMPOWER.HIGH impostato di default alla differenza tra una frequenza massima EIFreqMAx corrispondente ad una potenza massima assorbita dal motore durante il controllo in potenza ed una frequenza massima EIFreqNEN ammessa durante il controllo in velocità ed un valore minimo LIMPOWER,LOW impostato di default a 0 in modo che quando si è in controllo di potenza il regolatore PIPOWER (101) mantiene la potenza del motore a detto valore predeterminato PMAX variando la frequenza elettrica tra EIFreqNEN e EIFreqMAx.
4. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui il set-point di potenza PIIN,REF è comandato da un secondo regolatore PITEMP (104) che riduce il set-point di potenza PIIN,REF a partire da un valore di inizio PIN(Ì DERATING)·
5. Metodo secondo la rivendicazione 4 comprendente una fase di impostazione di una temperatura Ti massima di funzionamento nominale dell’elettronica di pilotaggio; una fase di impostazione di un’isteresi δι sulla temperatura massima di funzionamento nominale; una fase di monitoraggio della temperatura T dell’elettronica di pilotaggio; una fase di regolazione della temperatura T dell’elettronica di pilotaggio, che ha inizio quando la temperatura T dell’elettronica di pilotaggio supera il valore Τι+δι, mediante la fase di regolazione della potenza elettrica PIN;FEEDBACK assorbita dal motore, in cui il secondo regolatore PITEMP (104) ha in ingresso, tramite un nodo sommai ore (105), un errore di temperatura TDERATING.REF-TFEEDBACK dove: TDERATING,REF è la temperatura di riferimento durante la fase di regolazione della temperatura T; TFEEDBACK è una temperatura misurata nell’elettronica di pilotaggio che corrisponde alla temperatura T, TFEEDBACK essendo maggiore o uguale a Ti durante la fase di regolazione della temperatura T, l’uscita del secondo regolatore PITEMP (104) essendo un set-point di potenza che si somma, in un secondo nodo sommatore (106), al valore di potenza elettrica P IN (t DERATING) registrato nel momento in cui inizia la fase di regolazione della potenza elettrica PIN;FEEDBACK assorbita dal motore.