ITTO20110768A1 - Dispositivo e metodo di scarica per la scarica attiva di un condensatore in un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO E METODO DI SCARICA PER LA SCARICA ATTIVA DI UN CONDENSATORE IN UN IMPIANTO ELETTRICO DI POTENZA DI UN VEICOLO CON TRAZIONE ELETTRICAâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un dispositivo e ad un metodo di scarica per la scarica attiva di un condensatore in un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica. Per veicolo con trazione elettrica si intende sia un veicolo con trazione solo elettrica (cioà ̈ privo di altri tipi di sorgenti di energia meccanica), sia un veicolo ibrido provvisto di trazione elettrica e di trazione termica.

ARTE ANTERIORE

Nei veicoli stradali sta prendendo sempre più piede la trazione elettrica in abbinamento alla tradizionale trazione termica per realizzare una trazione ibrida.

La trazione elettrica prevede l’utilizzo di una macchina elettrica rotante reversibile (cioà ̈ che può 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) trifase (tipicamente sincrona a magneti permanenti) che da un lato à ̈ meccanicamente collegata o collegabile alle ruote motrici e dall’altro lato à ̈ elettricamente collegata ad un convertitore elettronico di potenza che scambia energia elettrica con un sistema di accumulo composto da celle elettrochimiche ed operante ad alta tensione (dell’ordine di 400-600 Volt). Immediatamente a valle del sistema di accumulo à ̈ presente un condensatore di filtro che à ̈ installato nel convertitore elettronico di potenza, à ̈ collegato in parallelo ai morsetti del sistema di accumulo, presenta una capacità elevata, ed ha la funzione di assorbire/fornire energia elettrica ad alta frequenza; in altre parole, il sistema di accumulo eroga/assorbe il “valore medio†dell’energia elettrica scambiata mentre il condensatore di filtro eroga/assorbe le variazioni impulsive dell’energia elettrica scambiata (in questo modo viene allungata la vita delle celle elettrochimiche del sistema di accumulo che si degradano rapidamente quando devono scambiare energia impulsiva).

Quando necessario (ad esempio ad ogni spegnimento del veicolo al termine della marca tramite la chiave di avviamento, in caso di un intervento di manutenzione, oppure in caso di incidente) il sistema di accumulo viene galvanicamente separato dal resto del circuito elettrico mediante un interruttore di isolamento per garantire di togliere alimentazione elettrica al circuito elettrico; tuttavia, il condensatore di filtro à ̈ disposto a valle dell’interruttore di isolamento del sistema di accumulo e rimanendo carico mantiene in tensione per un tempo molto lungo l’impianto elettrico. E’ quindi necessario provvedere alla scarica del condensatore di filtro ogni qual volta viene aperto l’interruttore di isolamento del sistema di accumulo. E’ noto di scaricare un condensatore in modo passivo, ovvero attraverso una resistenza di scarica che à ̈ permanentemente collegata in parallelo al condensatore, oppure in modo attivo, ovvero portando in conduzione un transistor di scarica per creare in parallelo al condensatore un ramo di scarica attraverso il quale viene dissipata la carica del condensatore.

Il sistema di scarica passivo à ̈ estremamente sicuro, in quanto à ̈ sempre funzionante (almeno fino a quando à ̈ garantita l’integrità meccanica del sistema), ma per contro richiede un tempo molto lungo (dell’ordine di alcuni minuti) per portare la tensione residua del condensatore a livelli di sicurezza e costituisce una dissipazione permanente di energia per effetto Joule. Invece, il sistema di scarica attivo può scaricare il condensatore in tempi brevi (pochi secondi) e dissipa energia solo quando viene utilizzato (quindi ha una dissipazione di energia assolutamente trascurabile), ma per contro potrebbe non venire attivato in caso di malfunzionamento del sistema di controllo che deve attivare il transistor di scarica.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un dispositivo ed un metodo di scarica per la scarica attiva di un condensatore in un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica, i quali metodo e dispositivo di scarica siano privi degli inconvenienti sopra descritti e siano nel contempo di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un dispositivo ed un metodo di scarica per la scarica attiva di un condensatore in un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

· la figura 1 Ã ̈ una vista schematica di un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica provvisto di un dispositivo di scarica di un condensatore realizzato secondo la presente invenzione;

· la figura 2 Ã ̈ uno schema elettrico di massima del dispositivo di scarica della figura 1;

· la figura 3 Ã ̈ uno schema elettrico dettagliato del dispositivo di scarica della figura 1; e

· la figura 4 contiene dei grafici che mostrano l’evoluzione temporale di alcune grandezze del dispositivo di scarica della figura 1 durante l’attivazione della scarica del condensatore.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 Ã ̈ indicato nel suo complesso un impianto elettrico di potenza di un veicolo ibrido a trazione termica ed elettrica.

L’impianto 1 elettrico di potenza comprende una macchina 2 elettrica reversibile (cioà ̈ che può 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) trifase (tipicamente sincrona a magneti permanenti) che à ̈ meccanicamente collegata o collegabile alle ruote motrici del veicolo.

L’impianto 1 elettrico di potenza comprende un convertitore 3 elettronico di potenza che à ̈ elettricamente collegata alla macchina 2 elettrica mediante tre cavi 4 e pilota la macchina 2 elettrica, ed un sistema 5 di accumulo ad alta tensione (tipicamente 400-600 Volt) che à ̈ atto ad immagazzinare energia elettrica, à ̈ composto da un pacco di batterie al litio (provviste di rispettive celle elettrochimiche), ed à ̈ elettricamente collegato al convertitore 3 elettronico di potenza mediante una coppia di cavi 6. Il sistema 5 di accumulo ad alta tensione ha la funzione di immagazzinare/rilasciare grandi quantità di energia che vengono scambiate con la macchina 2 elettrica durante la trazione elettrica del veicolo.

L’impianto 1 elettrico di potenza comprende un sistema 7 di accumulo a bassa tensione (tipicamente 12 Volt) che à ̈ atto ad immagazzinare energia elettrica ed à ̈ generalmente composto da una singola batteria al piombo. Il sistema 7 di accumulo a bassa tensione à ̈ destinato ad immagazzinare una ridotta quantità di energia elettrica che viene utilizzata per alimentare i servizi ausiliari del veicolo operanti a bassa tensione. L’impianto 1 elettrico di potenza comprende un convertitore 8 elettronico DC/DC che à ̈ collegato al sistema 7 di accumulo a bassa tensione mediante una coppia di cavi 9 per fornire, quando necessario, energia al sistema 7 di accumulo a bassa tensione mantenendone la carica nel tempo; in altre parole, il convertitore 8 elettronico DC/DC preleva energia elettrica ad alta tensione dal sistema 5 di accumulo ad alta tensione e trasferisce energia elettrica a bassa tensione al sistema 7 di accumulo a bassa tensione. Il convertitore 8 elettronico DC/DC potrebbe anche essere bidirezione per trasferire oppure per prelevare energia elettrica al/dal sistema 7 di accumulo a bassa tensione.

Il sistema 5 di accumulo ad alta tensione à ̈ provvisto di un interruttore 10 di isolamento che quando necessario (ad esempio in caso di un intervento di manutenzione oppure in caso di incidente) viene automaticamente aperto per separare galvanicamente il sistema 5 di accumulo ad alta tensione dal resto dell’impianto 1 elettrico.

L’impianto 1 elettrico di potenza comprende un condensatore Cfilterdi filtro che à ̈ collegato in parallelo ai morsetti del sistema 5 di accumulo ad alta tensione immediatamente a valle dell’interruttore 10 di isolamento (cioà ̈ à ̈ interposto tra il sistema 5 di accumulo ad alta tensione e tutte le altre apparecchiatura elettriche), presenta una capacità elevata, ed ha la funzione di assorbire/fornire energia elettrica ad alta frequenza. In altre parole, il sistema 5 di accumulo ad alta tensione eroga/assorbe il “valore medio†dell’energia elettrica scambiata mentre il condensatore Cfilterdi filtro eroga/assorbe le variazioni impulsive dell’energia elettrica scambiata (in questo modo viene allungata la vita delle celle elettrochimiche del sistema 5 di accumulo ad alta tensione che si degradano rapidamente quando devono scambiare energia impulsiva).

L’impianto 1 elettrico di potenza comprende un dispositivo 11 di scarica che à ̈ disposto in prossimità del condensatore Cfilterdi filtro, à ̈ collegato in parallelo al condensatore Cfilterdi filtro, ed ha la funzione di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro (ovvero di abbassare rapidamente la tensione residua del condensatore Cfilterdi filtro a valori non pericolosi, tipicamente inferiore a 50-60 Volt) ogni qual volta viene aperto l’interruttore 10 di isolamento del sistema 5 di accumulo ad alta tensione.

Infine, l’impianto 1 elettrico di potenza comprende una unità 12 di controllo (tipicamente provvista di un microprocessore) che sovraintende al funzionamento di tutto l’impianto 1 elettrico di potenza e, tra le altre cose, pilota l’interruttore 10 di isolamento del sistema 5 di accumulo ad alta tensione per aprire, quando necessario, l’interruttore 10 di isolamento stesso e conseguentemente pilota il dispositivo 11 di scarica per scaricare il condensatore Cfilterdi filtro ogni qual volta viene aperto l’interruttore 10 di isolamento.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, il dispositivo 11 di scarica comprende un ramo 13 di scarica che à ̈ collegato in parallelo al condensatore Cfilterdi filtro ed à ̈ provvisto di un transistor TD di scarica che, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro, viene portato in conduzione; in altre parole, il transistor TD di scarica à ̈ disposto in serie lungo il ramo 13 di scarica e quindi agisce come un interruttore che apre e chiude il ramo 13 di scarica: quando il transistor TD di scarica à ̈ in conduzione esiste una continuità elettrica lungo il ramo 13 di scarica e quindi l’energia contenuta nel condensatore Cfilterdi filtro può dissiparsi attraverso il ramo 13 di scarica, invece quando il transistor TD di scarica à ̈ in isolamento non esiste una continuità elettrica lungo il ramo 13 di scarica e quindi l’energia contenuta nel condensatore Cfilterdi filtro non può dissiparsi attraverso il ramo 13 di scarica. Nel ramo 13 di scarica à ̈ presente anche una resistenza Redi dissipazione che à ̈ disposta in serie al transistor TD di scarica (in particolare à ̈ collegato tra l’emettitore del transistor TD di scarica e la massa elettrica del circuito di alta tensione); variando il dimensionamento dei componenti, l’energia del condensatore Cfilterdi filtro può essere dissipata prevalentemente sul transistor TD di scarica, oppure prevalentemente sulla resistenza Redi dissipazione, oppure su entrambi in qualsiasi proporzione.

Il dispositivo 11 di scarica comprende un organo 14 di pilotaggio che à ̈ collegato alla base del transistor TD di scarica e pilota il transistor TD di scarica portando il transistor TD di scarica in conduzione quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro. In altre parole, normalmente l’organo 14 di pilotaggio collega la base del transistor TD di scarica alla massa elettrica del circuito di alta tensione per mantenere il transistor TD di scarica in isolamento (quindi per mantenere aperto il ramo 13 di scarica) e l’organo 14 di pilotaggio collega la base del transistor TD di scarica ad una tensione di alimentazione (costituita preferibilmente dal morsetto positivo del condensatore Cfilterdi filtro) per portare il transistor TD di scarica in conduzione e quindi chiudere il ramo 13 di scarica quando viene richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro.

Secondo quanto illustrato nella figura 3, l’organo 14 di pilotaggio comprende un transistor TC di controllo che viene controllato dalla unità 12 di controllo e deve essere in isolamento (cioà ̈ deve essere “spento†ovvero non in conduzione) per permettere al transistor TD di scarica di condurre. In altre parole, il transistor TC di controllo à ̈ collegato alla base del transistor TD di scarica in modo tale che il transistor TD di scarica viene portato in conduzione solo quando il transistor TC di controllo à ̈ in isolamento. In particolare, una uscita della unità 12 di controllo à ̈ collegata alla base del transistor TC di controllo mediante un partitore di tensione costituito da due resistenze R1ed R2di collegamento; in questo modo, il transistor TC di controllo viene pilotato dalla unità 12 di controllo che normalmente mantiene il transistor TC di controllo in conduzione e fa passare il transistor TC di controllo dalla conduzione all’isolamento quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro.

Secondo una preferita forma di attuazione, tra il transistor TC di controllo ed il transistor TD di scarica à ̈ interposto un opto-transistor OT che garantisce l’isolamento galvanico tra il ramo a bassa tensione (tipicamente 5 Volt) in cui si trovano l’unità 12 di controllo ed il transistor TC di controllo ed il ramo ad alta tensione in cui si trovano il transistor TD di scarica ed il condensatore Cfilterdi filtro. In altre parole, l’organo 14 di pilotaggio comprende un opto-transistor OT che à ̈ connesso tra il transistor TD di scarica ed il transistor TC di controllo per realizzare un isolamento galvanico. Un fotodiodo di pilotaggio dell’opto-transistor OT à ̈ collegato in serie con il transistor TC di controllo ed in particolare ed un anodo del fotodiodo di pilotaggio à ̈ collegato ad una tensione di alimentazione mediante una resistenza RLEDdi polarizzazione mentre un catodo del fotodiodo di pilotaggio à ̈ collegato ad un collettore del transistor TC di controllo (l’emettitore del transistor TC di controllo à ̈ collegato alla massa elettrica del circuito a bassa tensione che à ̈ isolata galvanicamente dalla massa elettrica del circuito ad alta tensione).

La base del transistor TD di scarica à ̈ collegata al morsetto positivo del condensatore Cfilterdi filtro mediante una resistenza Rupdi collegamento ed à ̈ collegata alla massa elettrica del circuito di alta tensione mediante una resistenza Rdowndi collegamento; le due resistenze Rupe Rdowndi collegamento costituiscono un partitore di tensione che applica alla base del transistor TD di scarica una frazione della tensione complessiva del condensatore Cfilterdi filtro.

L’organo 14 di pilotaggio (ovvero l’opto-transistor OT) collega alla massa elettrica del circuito di alta tensione la base del transistor TD di scarica quando il transistor TC di controllo à ̈ in conduzione; in questo modo, quando il transistor TC di controllo à ̈ in conduzione la base del transistor TD di scarica à ̈ equipotenziale con la massa elettrica del circuito di alta tensione e quindi il transistor TD di scarica à ̈ obbligatoriamente in isolamento.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’organo 14 di pilotaggio comprende un condensatore Csafedi sicurezza che à ̈ interposto tra la base del transistor TD di scarica ed il morsetto positivo del condensatore Cfilterdi filtro; in particolare, il condensatore Csafedi sicurezza à ̈ collegato in serie con la resistenza Rupdi collegamento ed à ̈ disposto a valle della resistenza Rupdi collegamento rispetto alla base del transistor TD di scarica. Inoltre, il condensatore Csafedi sicurezza à ̈ anche interposto tra la base del transistor TD di scarica ed l’organo 14 di pilotaggio (ovvero l’opto-transistor OT). Per riassumere, l’emettitore dell’opto-transistor OT à ̈ direttamente collegato con la massa elettrica del circuito di alta tensione mentre il collettore dell’opto-transistor OT à ̈ collegato con un punto A disposto tra la resistenza Rupdi collegamento ed il condensatore Csafedi sicurezza (ovvero un primo morsetto dell’organo 14 di pilotaggio à ̈ collegato tra la resistenza Rupdi collegamento ed il condensatore Csafedi sicurezza ed un secondo morsetto dell’organo 14 di pilotaggio à ̈ collegato alla massa elettrica del circuito di alta tensione); inoltre, la base del transistor TD di scarica à ̈ direttamente collegata ad un punto B disposto tra il condensatore Csafedi sicurezza e la resistenza Rdowndi collegamento.

Come verrà meglio spiegato in seguito, il condensatore Csafedi sicurezza si carica quando il transistor TD di scarica à ̈ in conduzione determinando una progressiva riduzione della tensione/corrente alla base del transistor TD di scarica fino a portare il transistor TD di scarica in isolamento dopo un certo intervallo di tempo dall’istante di inizio della carica del condensatore Csafedi sicurezza (ovvero dall’istante di inizio della conduzione del transistor TD di scarica).

Secondo una preferita forma di attuazione, il dispositivo 11 di scarica comprende anche una resistenza RDdi scarica che à ̈ permanentemente collegata in parallelo al condensatore Cfilterdi filtro per determinare una scarica passiva del condensatore Cfilterdi filtro. La funzione della resistenza RDdi scarica à ̈ essenzialmente di (estrema) emergenza, cioà ̈ la resistenza RDdi scarica permette di scaricare (molto lentamente) il condensatore Cfilterdi filtro anche quando il dispositivo 11 di scarica à ̈ completamente fuori uso.

Viene di seguito descritto il funzionamento del dispositivo 11 di scarica con riferimento alla figura 3 ed ai grafici temporali della figura 4.

In condizioni di funzionamento normali (comprese, nella figura 4, tra l’istante di tempo T0e l’istante di tempo T1), il transistor TC di controllo à ̈ in conduzione (“ON†), quindi fluisce una corrente elettrica attraverso il fotodiodo di pilotaggio dell’opto-transistor OT (che à ̈ collegato in serie con il transistor TC di controllo) e di conseguenza anche l’opto-transistor OT à ̈ in conduzione; essendo l’opto-transistor OT conduzione, il punto A à ̈ collegato alla massa elettrica del circuito di alta tensione (attraverso l’opto-transistor OT conduzione), quindi la tensione VA-Bai capi del condensatore Csafedi sicurezza à ̈ nulla (essendo il punto A collegato alla massa elettrica del circuito di alta tensione) ed anche la tensione VB-GNDdella base del transistor TD di scarica à ̈ nulla (essendo il punto A collegato alla massa elettrica del circuito di alta tensione). Quando la tensione VB-GNDdella base del transistor TD di scarica à ̈ nulla, obbligatoriamente il transistor TD di scarica à ̈ in isolamento (“OFF†) e quindi il ramo 13 di scarica à ̈ aperto.

Appena prima dell’istante di tempo T1l’interruttore 10 di isolamento viene aperto à ̈ quindi à ̈ necessario provvedere a scaricare rapidamente il condensatore Cfilterdi filtro; di conseguenza, all’istante di tempo T1l’unità 12 di controllo toglie il segnale alla base del transistor TC di controllo portando il transistor TC di controllo stesso in isolamento (“OFF†); all’istante di tempo T1la corrente attraverso il fotodiodo di pilotaggio dell’opto-transistor OT si annulla (per effetto dell’apertura del transistor TC di controllo) e l’opto-transistor OT smette di condurre, quindi il punto A si trova isolato dalla massa elettrica del circuito di alta tensione. All’istante di tempo T1il punto A si trova isolato dalla massa elettrica del circuito di alta tensione e quindi il punto B (ovvero la base del transistor TD di scarica) si trova ad essere ad una tensione massima VMAX(il cui valore dipendente dal rapporto di riduzione del partitore di tensione costituito dalle due resistenze Rupe Rdowndi collegamento) mentre il condensatore Csafedi sicurezza inizia a caricarsi (cioà ̈ la tensione VA-Bai capi del condensatore Csafedi sicurezza inizia a salire).

Per effetto della progressiva carica del condensatore Csafedi sicurezza, la tensione VA-Bai capi del condensatore Csafedi sicurezza cresce in modo esponenziale e la tensione VB-GNDdella base del transistor TD di scarica diminuisce in modo complementare. Tra l’istante di tempo T1e l’istante di tempo T2, la tensione VB-GNDdella base del transistor TD cala progressivamente ed in modo esponenziale tra la tensione massima VMAXed una tensione minima Vminche sono comunque sufficienti a mantenere il transistor TD di scarica in conduzione; dopo l’istante di tempo T2la tensione VB-GNDdella base del transistor TD di scarica scende sotto alla tensione minima Vmine quindi il transistor TD di scarica smette di condurre ritornando nella condizione di isolamento (“OFF†). In altre parole, all’istante di tempo T2la tensione VA-Bai capi del condensatore Csafedi sicurezza raggiunge una tensione di soglia VTHtale per cui la tensione VB-GNDdella base del transistor TD di scarica à ̈ pari alla tensione minima Vminal di sotto della quale il transistor TD di scarica smette di condurre ritornando nella condizione di isolamento (“OFF†).

Il condensatore Csafedi sicurezza svolge la funzione di un “timer†che spegne “automaticamente†il transistor TD di scarica dopo un certo intervallo di tempo (dell’ordine di alcuni secondi) dall’attivazione del transistor TD di scarica stesso; ovvero, una volta portato in conduzione, il transistor TD di scarica rimane in conduzione per un certo intervallo di tempo al termine del quale l’effetto del condensatore Csafedi sicurezza determina un “automatico†spegnimento del transistor TD di scarica. Questa funzione del condensatore Csafedi sicurezza à ̈ molto importante in quanto permette di proteggere il ramo 13 di scarica (ed in particolare il transistor TD di scarica) da un eccessivo riscaldamento quando il transistor TD di scarica viene attivato senza che l’interruttore 10 di isolamento venga aperto. In altre parole, può succedere che un malfunzionamento porti il transistor TD di scarica in conduzione senza che l’interruttore 10 di isolamento venga aperto: in questo caso nel ramo 13 di scarica si scaricherebbe tutta l’energia del sistema 5 di accumulo di alta tensione che à ̈ enormemente più grande dell’energia immagazzinata nel condensatore Cfilterdi filtro e quindi determinerebbe in poco tempo la fusione del transistor TD di scarica e/o della resistenza Redi dissipazione. Invece, grazie all’azione del condensatore Csafedi sicurezza il transistor TD di scarica si apre in ogni caso dopo un certo intervallo di tempo e quindi viene evitato che nel ramo 13 di scarica venga dissipata una energia superiore alle effettive capacità di dissipazione.

Secondo una preferita forma di attuazione, l’unità 12 di controllo attiva, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro, il convertitore 8 elettronico DC/DC che à ̈ collegato in parallelo al condensatore Cfilterdi filtro ed alimenta il sistema 7 di accumulo a bassa tensione per trasferire energia dal condensatore Cfilterdi filtro al sistema 7 di accumulo a bassa tensione. Inoltre, l’unità 12 di controllo attiva, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro, il convertitore 3 elettronico di potenza che à ̈ collegato in parallelo al condensatore Cfilterdi filtro e pilota la macchina 2 elettrica per fare circolare attraverso la macchina 2 elettrica una corrente che non determina generazione o assorbimento di coppia motrice (ma, ovviamente, determina una certa dissipazione di potenza per effetto Joule negli avvolgimenti della macchina 2 elettrica ed all’interno del convertitore 3 elettronico di potenza). L’energia che viene assorbita dal convertitore 8 elettronico DC/DC e dal convertitore 3 elettronico di potenza, agendo in parallelo (ovvero in aggiunta) al ramo 13 di scarica, permette di accelerare in modo sostanziale la scarica del condensatore Cfilterdi filtro; in questo modo à ̈ possibile scaricare il condensatore Cfilterdi filtro (cioà ̈ abbassare la tensione ai capi del condensatore Cfilterdi filtro a valori non pericoloso) molto rapidamente (in meno di un secondo) pur utilizzando un transistor TD di scarica relativamente piccolo (cioà ̈ non dotato di una elevata capacità di dissipazione di calore). In altre parole, l’intervento del convertitore 8 elettronico DC/DC e del convertitore 3 elettronico di potenza aiuta la scarica del condensatore Cfilterdi filtro e quindi à ̈ possibile utilizzare un transistor TD di scarica meno performante (quindi più piccolo e meno costoso) pur mantenendo un tempo di scarica del condensatore Cfilterdi filtro molto contenuto.

E’ importante osservare che il dispositivo 11 di scarica à ̈ intrinsecamente molto sicuro, in quanto per attivare la scarica del condensatore Cfilterdi filtro non à ̈ richiesto di attivare un comando (cioà ̈ di accendere il transistor TC di controllo), ma à ̈ richiesto di togliere un comando (cioà ̈ di spegnere il transistor TC di controllo): quindi in caso di guasto della unità 12 di controllo (ad esempio quando il microprocessore della unità 12 di controllo va in reset oppure in caso di rottura meccanica del collegamento tra l’unità 12 di controllo ed il transistor TC di controllo, oppure in caso di interruzione della tensione di alimentazione del transistor TC di controllo) il transistor TD di scarica si chiude automaticamente (cioà ̈ si porta automaticamente in conduzione) permettendo di effettuare la scarica del condensatore Cfilterdi filtro. Ovviamente, in caso di guasto non à ̈ realistico l’intervento del convertitore 8 elettronico DC/DC e del convertitore 3 elettronico di potenza per aiutare (velocizzare) la scarica del condensatore Cfilterdi filtro, ma l’unica conseguenza à ̈ solo una perdita di efficienza (cioà ̈ la scarica del condensatore Cfilterdi filtro dura più a lungo) e non una perdita di efficacia (cioà ̈ il condensatore Cfilterdi filtro viene comunque scaricato anche se in tempi più lunghi, ovvero dell’ordine di qualche secondo invece di meno di un secondo).

L’idea di base à ̈ stata realizzare un organo 14 di pilotaggio con un funzionamento “al contrario†: la scarica del condensatore Cfilterdi filtro non viene infatti generata a seguito di un comando di attivazione, ma, al contrario, la scarica del condensatore Cfilterdi filtro viene costantemente disattivata generando un comando di disattivazione; quando tale comando di disattivazione viene a cessare (per una scelta dell’unità 12 di controllo oppure in seguito ad un guasto) la scarica del condensatore Cfilterdi filtro viene attivata automaticamente. Inoltre, l’energia necessaria a mantenere in conduzione il transistor TD di scarica proviene direttamente dal condensatore Cfilterdi filtro e quindi una volta innescata la scarica attraverso il ramo 13 di scarica, la scarica stessa si “auto-alimenta†fino a quando la tensione residua a capi dal condensatore Cfilterdi filtro non scende a valori molti bassi (ovvero non pericolosi).

L’unità 12 di controllo à ̈ in grado, attivando per breve tempo il transistor TC di controllo, di ripetere la sequenza di scarica (compresa tra gli istanti di tempo T0e T2) per un numero illimitato di volte, qualora la scarica del condensatore Cfilterdi filtro non sia stata (completamente) efficace “al primo colpo†; in altre parole, l’unità 12 di controllo à ̈ in grado di eseguire una serie di sequenze di scarica (denominata “scarica attiva multipla†) per scaricare in più riprese il condensatore Cfilterdi filtro. Ad esempio, la “scarica attiva multipla†può venire utilizzata quando l’interruttore 10 di isolamento à ̈ bloccato in configurazione chiusa, presenta un funzionamento intermittente, oppure si apre con ritardo anomalo (dell’ordine di qualche secondo). La “scarica attiva multipla†consente di garantire nel tempo il tentativo di scaricare il condensatore Cfilterdi filtro, anche in caso di malfunzionamenti (ad esempio in caso di malfunzionamento dell’interruttore 10 di isolamento) pur evitando rotture per eccessivo riscaldamento nel ramo 13 di scarica.

A titolo di esempio, nella descrizione sopra riportata à ̈ stato fatto riferimento a transistor a giunzione bipolare (ovvero transistor BJT) aventi collettore, base ed emettitore; ovviamente, in una forma di attuazione perfettamente equivalente, à ̈ possibile l’utilizzo di transistor ad effetto di campo (tipicamente con la tecnologia MOSFET) aventi drain (pozzo), gate (porta) e source (sorgente).

Il dispositivo 11 di scarica sopra descritto presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il dispositivo 11 di scarica sopra descritto à ̈ di semplice ed economica realizzazione, in quanto à ̈ composto da pochi elementi facilmente reperibili e di costo contenuto.

Inoltre, il dispositivo 11 di scarica sopra descritto garantisce la possibilità di attivare (in modo “automatico†) la scarica del condensatore Cfilterdi filtro anche in presenza di guasti nell’unità 12 di controllo (ad esempio mancanza di tensione di alimentazione, oppure reset del microcontrollore), in presenza di guasti nell’impianto 1 elettrico (ad esempio distacco di un connettore oppure rottura di un fusibile), ed anche in caso di totale disconnessione del sistema 7 di accumulo a bassa tensione, condizione nella quale tutte le centraline elettroniche presenti nel veicolo cessano di funzionare e si spengono. In questo modo, il dispositivo 11 di scarica semplifica grandemente le analisi formali di sicurezza richieste dalle applicazioni automobilistiche, perché invece di dover analizzare la reazione del dispositivo 11 di scarica in presenza di tutti i possibili guasti, si può seguire una metodologia di analisi “al contrario†: cioà ̈, sino a quando il dispositivo 11 di scarica à ̈ integro si disabilita la scarica, che viene automaticamente generata in presenza di guasti. In altre parole, il dispositivo 11 di scarica fornisce una elevata robustezza anche in caso di guasti multipli.

Infine, il dispositivo 11 di scarica presenta una protezione termica “intrinseca†(ovvero non legata all’intervento di elementi esterni, ma determinata direttamente dai componenti passivi ed in particolare dal condensatore Csafedi sicurezza) in quanto à ̈ limitata automaticamente la quantità di energia elettrica che può venire dissipata nel ramo 13 di scarica ad ogni singola attivazione del ramo 13 di scarica stesso.

Claims (16)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Dispositivo (11) di scarica per la scarica attiva di un condensatore (Cfilter) principale in un impianto (1) elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica; il dispositivo (11) di scarica comprende: un ramo (13) di scarica che à ̈ collegato in parallelo al condensatore (Cfilter) principale ed à ̈ provvisto di un transistor (TD) di scarica che, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter) principale, deve venire portato in conduzione; ed un organo (14) di pilotaggio che à ̈ collegato alla base del transistor (TD) di scarica e pilota il transistor (TD) di scarica portando il transistor (TD) di scarica in conduzione quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter) principale; il dispositivo (11) di scarica à ̈ caratterizzato dal fatto che l’organo (14) di pilotaggio comprende un transistor (TC) di controllo che mantiene il transistor (TD) di scarica in isolamento quando à ̈ in conduzione e deve essere in isolamento per permettere al transistor (TD) di scarica di condurre.
2. 2) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 1, in cui l’organo (14) di pilotaggio comprende un opto-transistor (OT) che à ̈ connesso tra il transistor (TD) di scarica ed il transistor (TC) di controllo per realizzare un isolamento galvanico.
3. 3) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 2, in cui un fotodiodo di pilotaggio dell’opto-transistor (OT) à ̈ collegato in serie con il transistor (TC) di controllo.
4. 4) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 3, in cui un anodo del fotodiodo di pilotaggio à ̈ collegato ad una tensione di alimentazione.
5. 5) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il transistor (TC) di controllo viene pilotato da una unità (12) di controllo che normalmente mantiene il transistor (TC) di controllo in conduzione e fa passare il transistor (TC) di controllo dalla conduzione all’isolamento quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter) principale.
6. 6) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui l’organo (14) di pilotaggio collega alla massa elettrica del circuito di alta tensione la base del transistor (TD) di scarica quando il transistor (TC) di controllo à ̈ in conduzione.
7. 7) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 6, in cui la base del transistor (TD) di scarica à ̈ collegata al morsetto positivo del condensatore (Cfilter) principale mediante una prima resistenza (Rup) di collegamento.
8. 8) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 7, in cui la base del transistor (TD) di scarica à ̈ collegata alla massa elettrica del circuito di alta tensione mediante una seconda resistenza (Rdown) di collegamento che costituisce un partitore di tensione assieme alla prima resistenza (Rup) di collegamento.
9. 9) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui l’organo (14) di pilotaggio comprende un condensatore (Csafe) di sicurezza che à ̈ interposto tra la base del transistor (TD) di scarica ed il morsetto positivo del condensatore (Cfilter) principale.
10. 10) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 9, in cui il condensatore (Csafe) di sicurezza si carica quando il transistor (TD) di scarica à ̈ in conduzione determinando una progressiva riduzione della tensione/corrente alla base del transistor (TD) di scarica fino a portare il transistor (TD) di scarica in isolamento dopo un intervallo di tempo dall’istante di inizio della conduzione del transistor (TD) di scarica.
11. 11) Dispositivo (11) di scarica secondo la rivendicazione 10, in cui un primo morsetto dell’organo (14) di pilotaggio à ̈ collegato tra la prima resistenza (Rup) di collegamento ed il condensatore (Csafe) di sicurezza ed un secondo morsetto dell’organo (14) di pilotaggio à ̈ collegato alla massa elettrica del circuito di alta tensione.
12. 12) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui l’organo (14) di pilotaggio comprende un condensatore (Csafe) di sicurezza che à ̈ interposto tra la base del transistor (TD) di scarica ed una fonte di alimentazione e si carica quando il transistor (TD) di scarica à ̈ in conduzione determinando una progressiva riduzione della tensione/corrente alla base del transistor (TD) di scarica fino a portare il transistor (TD) di scarica in isolamento dopo un intervallo di tempo dall’istante di inizio della conduzione del transistor (TD) di scarica.
13. 13) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 12 e comprendente una resistenza (RD) di scarica che à ̈ permanentemente collegata in parallelo al condensatore (Cfilter) principale.
14. 14) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 13, in cui una unità (12) di controllo attiva, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter) principale, un convertitore (8) elettronico DC/DC che à ̈ collegato in parallelo al condensatore (Cfilter) principale ed alimenta un sistema (7) di accumulo a bassa tensione per trasferire energia dal condensatore (Cfilter) principale al sistema (7) di accumulo a bassa tensione.
15. 15) Dispositivo (11) di scarica secondo una delle rivendicazioni da 1 a 14, in cui una unità (12) di controllo attiva, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter) principale, un convertitore (3) elettronico di potenza che à ̈ collegato in parallelo al condensatore (Cfilter) principale e pilota una macchina (2) elettrica per fare circolare attraverso la macchina (2) elettrica una corrente che non determina generazione o assorbimento di coppia motrice.
16. 16) Metodo per la scarica attiva di un condensatore (Cfilter) in un impianto (1) elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica; il metodo comprende la fase di portare in conduzione, quando à ̈ richiesto di scaricare il condensatore (Cfilter), un transistor (TD) di scarica per creare in parallelo al condensatore (Cfilter) un ramo (13) di scarica attraverso il quale l’energia immagazzinata nel condensatore (Cfilter) si scarica; il metodo à ̈ caratterizzato dal fatto di comprendere l’ulteriore fase di pilotare il transistor (TD) di scarica mediante un transistor (TC) di controllo che mantiene il transistor (TD) di scarica in isolamento quando à ̈ in conduzione e deve essere in isolamento per permettere al transistor (TD) di scarica di condurre.