ITTO940121A1 - Dispositivo di ausilio all'avviamento di un motore termico - Google Patents

Abstract

Dispositivo di ausilio all'avviamento di un motore termico di un veicolo in cui un microprocessore (MP) provvede a mantenere la tensione (VBAT) della batteria (BAT) e dell'impianto elettrico del veicolo in una fascia di funzionamento normale (LON, LOFF2) intervenendo con estrema rapidità nel caso si verifichino sovratensioni che possono danneggiare i circuiti elettronici del veicolo.(Figura 2).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo di ausilio all'avviamento di un motore termico"

DESCRIZIONE

La presente invenzione fa riferimento in generale ai dispositivi per l'avviamento di un motore a combustione interna destinati all'ausilio degli accumulatori elettrici normalmente associati al motore stesso. Più specificamente l'invenzione fa riferimento ad un dispositivo per l'ausilio all'avviamento dei motori a combustione interna dei moderni autoveicoli atto ad operare in condizioni di sicurezza.

I cicli di avviamento negli.autoveicoli di nuova produzione^presentano alcune problematiche relative alla sicurezza di tale operazione. In-particolar modo sorge il problema di controllare le sovratensioni che potrebbero essere generate nella fase di avviamento e che potrebbero causare gravi danni alle apparecchiature elettroniche installate sugli autoveicoli. Oggigiorno è infatti sempre più diffuso l'impiego di dispositivi elettronici, spesso controllati da microprocessori, a bordo degli autoveicoli. Tali dispositivi, di complessità e costo rilevante, tipicamente sono sensibili alla tensione di alimentazione e sono quindi suscettibili di danneggiamento per repentini innalzamenti della stessa.

In un ciclo di avviamento tipicamente si rende necessaria la generazione di una corrente di elevata intensità che dura per pochi secondi. Questa corrente normalmente viene fornita da accumulatori elettrici, comunemente detti batteria, associati al motore a combustione interna del veicolo. Nel caso la batteria sia inefficiente o scarica, si utilizza tipicamente un caricabatteria dotato di un trasformatore di potenza, alimentato mediante la normale rete in corrente alternata ad esempio a 220 volt, per fornire la corrente continua, alla corretta tensione, necessaria all'avviamento..A tale scopò il trasformatore viene-progettatoi.per poter sopportare un forte sovraccarico e questo comporta nell'operazione di commutazione da vuoto a carico, e viceversa, l'insorgere di forti sovratensioni.

Allo scopo di garantire una certa sicurezza nel ciclo di avviamento i dispositivi secondo la tecnica nota adottano varie soluzioni. Alcuni sistemi impiegano dei cosiddetti teleavviatori cioè comandi a distanza che attivano il dispositivo solo quando si è sicuri che il motorino di avviamento è connesso. In altri dispositivi invece vengono impiegati temporizzatori di vario tipo. Tutti questi accorgimenti tuttavia presentano l'inconveniente di non essere completamente esenti dai rischi di danneggiamento sopra esposti.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un dispositivo di ausilio per l'avviamento che permetta di risolvere in modo soddisfacente tutti i problemi sopra indicati.

Secondo la presente invenzione, tale scopo viene raggiunto grazie ad.un dispositivo di ausilio per l'avviamento avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori,vantaggi e caratteristiche-della-presente:invenzione'risulteranno evidenti dalla-seguente dettagliata.descrizione,effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1 è un grafico illustrante il principio di funzionamento del dispositivo secondo la presente invenzione, e

la figura 2 è una schema circuitale illustrante due forme di attuazione alternative del dispositivo secondo la presente invenzione.

La presente invenzione consta essenzialmente in un dispositivo configurato per attuare un procedimento di avviamento concepito in modo da garantire un elevato coefficiente di sicurezza.Tale procedimento può essere schematizzato essenzialmente nelle seguenti due fasi.

In una prima fase, che ha una funzione di rilevazione e di verifica, viene generata una forte corrente di carica, applicata alla batteria, e viene valutata la risposta dinamica della batteria stessa. In tal modo si determina se la.batteria, anche se scarica, è tuttavia in grado di sostenere il ciclo di avviamento e non presenta ulteriori segni di danneggiamento (quali ad esempio elementi aperti oppure. in corto). In tale prima fase viene inoltre effettuata una.forte:precarica.'della,batteria*, la cui' durata è-compresa tra-10'secondi e 5 minuti a seconda dello stato operativo della batteria stessa. Lo stato operativo della batteria viene valutato attraverso una rilevazione della resistenza interna della batteria stessa.

Un dispositivo, ed una metodologia, per la rilevazione della resistenza interna di una batteria sono ad esempio descritte in una parallela domanda di brevetto, depositata contemporaneamente alla presente domanda, a nome della stessa richiedente.

In una seconda fase, adeguatamente segnalata ad un utente, il dispositivo provvede a sorvegliare la tensione della batteria. Il dispositivo inizia quindi ad operare come un generatore di tensione. In particolare il dispositivo opera in una modalità che sarà meglio compresa in connessione con il grafico di figura 1.

Come si può vedere tale grafico rappresenta la tensione V in funzione del tempo t. Nel dispositivo secondo l'invenzione viene preventivamente programmata una fascia di normale funzionamento per la batteria delimitata inferiormente da un livello di tensione L0„ e superiormente da un livello di tensione L0FF2. Esiste, inoltre, anche un livello di tensione intermedio LorF1. Il significato dei tre livelli di tensione L0K, L0FF1, L0FF2 verrà chiarito nel seguito.

Il dispositivo, quando opera nella modalità di generatore di tensione, agisce in modo da cercare di mantenere la tensione VBAT, ai capi della batteria, all'interno di una fascia di intervento definita dalle suddette tensioni L0[I ed L0FF1.

Il dispositivo naturalmente è configurato in modo da rilevare la tensione VBAT ai capi della batteria e da attuarne un controllo ad anello chiuso. La configurazione del dispositivo verrà descritta in maggiore dettaglio nel seguito con riferimento alla figura 2.

In un istante di tempo Tt, ad esempio, il motore di avviamento viene attivato e la tensione VBAT sulla batteria scende. Se la tensione VBAT è inferiore al livello minimo programmato L0N il dispositivo, operante in qualità di generatore di tensione, si attiva automaticamente fino a fornire eventualmente la massima corrente possibile. La tensione VBAT si riporta quindi ad un valore compreso fra ed LOFF1, tuttavia il dispositivo avviatore continua ad erogare corrente. Lo spegnimento del dispositivo avviene soltanto quando la tensione VBAT supera il valore del livello L0FF1. Quando si verifica questa condizione il microprocessore attiva una procedura di spegnimento graduale.

Successivamente, per una nuova attivazione, occorre che la tensione VBAT scenda nuovamente al di sotto del livello L0N.

Se durante il funzionamento il microprocessore rileva una tensione VBAT superiore al limite massimo di sicurezza per l'elettronica di bordo (livello L0FF2); tensione che può manifestarsi alla disattivazione del motore di avviamento (istante T2), allora viene attivata una procedura di spegnimento rapido che disattiva il dispositivo in un tempo molto ridotto (ad esempio 440 micro-secondi, se viene impiegato lo schema della sezione A di figura 2, oppure un tempo di 2 soli micro-secondi se viene utilizzato lo schema della sezione B).

Due forme di attuazione di un dispositivo in grado di attuare il procedimento sopra descritto sono illustrate circuitalmente in figura 2. Il dispositivo comprende naturalmente una sezione di potenza di tipo convenzionale costituita da un trasformatore di potenza TR cui è associato un raddrizzatore D. Il primario del trasformatore TR è alimentato dalla rete in corrente alternata, ad esempio a 220 volt, mentreil secondario è.collegato, mediante 1.'interposizione,del raddrizzatore D, ai poli della batteria BAT<" >associata al motore termico.

A questa sezione di potenza, di tipo convenzionale, è associata-una sezione di controllo che è propria, del dispositivo secondo l'invenzione. Tale sezione di controllo è rappresentata in figura 2 in due forme di attuazione alternative, illustrate nei blocchi A e B. I blocchi, o sezioni, A e B anche se sono illustrati insieme sono da intendersi come alternativi, cioè l'uno o l'altro può venire impiegato in associazione alla porzione di circuito non iscritta nei blocchi A e B dando origine a due forme di attuazione alternative del dispositivo.

Verrà ora descritta la forma di attuazione A. Allo scopo di effettuare un controllo sulla tensione VBAT ai capi della batteria BAT è necessario che la sezione di controllo A rilevi la tensione ai capi della batteria BAT stessa. Ciò viene effettuato in modo tradizionale tramite un partitore resistivo costituito da due resistori RI, R2 collegati fra il polo positivo della batteria BAT e la massa del sistema. Tale tensione viene inviata, tramite un conduttore ANO, ad un convertitore analogico/digitale AD facente parte della sezione di controllo A.

Il convertitore analogico/digitale AD rileva inoltre un'ulteriore tensione, tramite un conduttore ANI, prelevata al polo negativo della batteria BAT il quale è collegato alla massa mediante un resistore di misura RMIS, od un sensore ad effetto Hall, in modo tale da consentire una rilevazione della corrente che scorre attraverso la batteria BAT. Il convertitore analogico/digitale AD converte in forma digitale le tensioni rilevate nel modo descritto ed invia i valori digitali corrispondenti ad un microprocessore MP.

Il microprocessore MP si occupa del controllo della tensione generata dal dispositivo, esso è infatti collegato ad un dispositivo a semiconduttore TP inserito sull'alimentazione dell'avvolgimento primario del trasformatore TR. Il dispositivo a semiconduttore TP tipicamente è realizzato mediante transistori di potenza ad esempio ih tecnologia BJT, MOS oppure IGBT ed è inserito all'interno di un ponte di diodi P. Inoltre allo scopo di isolare e proteggere l'elettronica della sezione di controllo A il microprocessore MP è connesso al dispositivo a semiconduttore TP mediante un opto-accoppiatore o opto-isolatore OC.

Il microprocessore MP è quindi in possesso dei valori di tensione e di corrente rilevati mediante il convertitore analogico/digitale AD e può provvedere, secondo metodologie di controllo ad anello chiuso ben note, a regolare la tensione VBAT ai capi della batteria BAT intervenendo sull'alimentazione dell'avvolgimento primario del trasformatore TR.

Il microprocessore MP è in grado di fornire un comando di attivazione (quando la tensione sulla batteria BAT scende al di sotto del livello L0ir), un comando di disattivazione normale CNO (quando la tensione sulla batteria BAT supera il livello L0FF1) ed un comando di disattivazione rapida CRO (quando la tensione sulla batteria BAT supera il limite di sicurezza LOFF2). In quest'ultimo caso, la disattivazione del dispositivo avviene in un tempo molto rapido (ad esempio di 440 micro-secondi).

Utilizzando lo schema della sezione B, rappresentato in forma sintetica, operante sostanzialmente secondo gli stessi principi della sezione A appena descritta, si ottiene una vantaggiosa riduzione dei tempi di intervento per il comando di disattivazione rapida dell'alimentazione del.trasformatore TR.

Nella sezione B è infatti previsto,in aggiunta ai componenti presenti nella sezione A, che quindi non verranno nuovamente descritti, un convertitore digitale/analògico DA. Tale convertitore digitale/analogico..DA riceve dal microprocessore MP"un valore digitale·indicativo di una.tensione di soglia desiderata, nel caso specifico la tensione limite Lopp2.-Il convertitore digitale/analogico DA converte quindi tale valore digitale in una tensione di riferimento VRIF la quale viene inviata ad un amplificatore operazione AO. All'amplificatore operazionale AO arriva anche una tensione indicativa della tensione-VBAT ai capi della batteria BAT rilevata mediante il ponte resistivo RI, R2. Al superamento della tensione limite LorF2 da parte della tensione VBAT ai capi della batteria BÀT l'amplificatore operazionale AO, il quale è collegato all'opto-isolatore OC, interviene immediatamente disabilitando il primario del trasformatore TR. L'amplificatore operazionale AO è preposto quindi alla generazione del comando di disattivazione rapida CRO. Il comando di attivazione ed il comando di disattivazione normale CNO vengono invece gestiti dal microprocessore MP secondo le stesse modalità descritte per la sezione A.

La configurazione illustrata per la sezione B risulta quindi, anche se comporta una maggiore complessità, più veloce della sezione A nell'eseguire il comando di disattivazione,rapida,con.tempi di. intervento che possono essere ad.esempio di soli.2. microsecondi.

Inoltre l'impiego del microprocessore MP di controllo permette un'efficace gestione.generale del. dispositivo e della procedura di avviamento. Ciò è possibile in quanto il microprocessore MP può essere configurato in modo da controllare e valutare il ciclo di accensione/spegnimento (in pratica il suo duty-eycle) e la temperatura della sezione elettronica e di potenza/ con la relativa gestione di un ciclo di ventilazione.

Ad esempio il microprocessore MP può essere configurato in modo da eseguire, oltre alla già citata fase di precarica, anche una serie di controlli di sicurezza e successivamente la fase di avviamento vera e propria secondo una procedura predeterminata.

Nella fase di avviamento, già citata, il microprocessore MP si pone in una modalità di attesa, per un periodo di durata predeterminata di alcuni minuti, sorvegliando costantemente la tensione di batteria VBAT. Durante tale periodo, al termine del quale il microprocessore MP torna in modalità di ricarica, l'utente può tentare l'avviamento del motore termico. Per.fare ciò egli comanda, normalmente, il.motore:,di.avviamento mediante.;la chiave di<~ >accensione. Il > microprocessore MP rileva questo evento, nell'istante Tlf quando la tensione VBAT scende sotto la soglia L0H ed interviene erogando corrente; inoltre contemporaneamente attiva un temporizzatore che consente una durata massima del tentativo di cinque secondi.

Al termine dei cinque secondi il microprocessore MP interrompe l'erogazione di corrente. Nel caso il tentativo abbia successo ed il motore termico si avvìi la tensione VBAT comincia a salire. In questo caso il microprocessore MP interrompe l'erogazione di corrente quando la tensione VBAT supera la soglia LQFF1 O la soglia LQFF2 secondo le modalità descritte in precedenza.

Dopo ogni tentativo di avviamento il microprocessore MP attiva una pausa di riposo di 10 secondi durante la quale si riequilibrano le sovratemperature interne. Anche il numero massimo di tentativi di avviamento può eventualmente essere limitato, ad esempio a cinque. Se, al termine dei tentativi concessi, il motore non è ancora stato avviato il dispositivo torna automaticamente nella modalità di ricarica ed occorre quindi eseguire nuovamente l'intero ciclo di avviamento.

"<">-Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed.illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di ausilio all'avviamento di un motore a combustione interna comprendente mezzi elettrici di alimentazione (TR, D) atti a fornire una corrente elettrica continua di elevata intensità ad un motore elettrico di avviamento e ad un accumulatore elettrico (BAT) associati a detto motore a combustione interna, caratterizzato dal fatto di comprendere in combinazione operativa tra di loro: mezzi di elaborazione (MP), mezzi convertitori analogico/digitali (AD), connessi a detti mezzi di elaborazione (MP), atti a rilevare una tensione (VBAT) ai capi di detto accumulatore (BAT), mezzi interruttori (TP) a semiconduttore, atti a controllare l'erogazione di corrente elettrica di detti mezzi di alimentazione (TR, D), controllati da detti mezzi di elaborazione (MP), detti mezzi di elaborazione (MP) essendo configurati per: eseguire una fase preliminare di verifica di detto accumulatore (BAT), eseguire una fase preliminare di carica di detto accumulatore (BAT), eseguire una fase di avviamento di detto motore a combustione interna controllando detti mezzi di alimentazione (TR, D) in modo da mantenere detta tensione (VBAT) in un intervallo (Loff, L0FF2) di tensioni predeterminato.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, carat-terizzato dal fatto che detto intervallo di tensioni predeterminato è definito da un valore inferiore (LOH) e da un valore superiore (L0PP2), detti mezzi di elaborazione (MP) essendo configurati per: attivare detti mezzi di alimentazione (TR, D), mediante detti mezzi interruttori (TP), quando detta tensione (VBAT) scende al di sotto di detto valore inferiore (L0ìf), disattivare detti mezzi di alimentazione (TR, D), mediante detti mezzi interruttori (TP), quando detta tensione (VBAT) supera detto valore superiore ( TF2 )<*>
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che entro detto intervallo di tensioni predeterminato (L0K, L0PP2) è definito un ulteriore valore superiore (L0PP1), detti mezzi di elaborazione (MP) essendo configurati per disattivare detti mezzi di alimentazione (TR, D) mediante detti mezzi interruttori (TP): in modo graduale quando detta tensione (VBAT) supera detto ulteriore valore superiore (L0FF1), in modo rapido quando detta tensione (VBAT) supera detto valore superiore (L0FF2).
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (MP) sono configurati per rilevare, nel corso di dette fa.si preliminari di veri-fica e di carica, la tensione (VBAT) e le condizioni di efficienza di detto accumulatore (BAT).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (MP) sono configurati in modo da consentire, nel corso di detta fase di avviamento, una pluralità di cicli di avviamento costituiti da un primo intervallo di tempo, di durata predeterminata, in cui viene attivata l’erogazione di corrente da parte di detti mezzi di alimentazione (TR,D),detto primo intervallo di tempo cominciando all'attivazione (T2) di detto motore di avviamento, seguito da un secondo intervallo di tempo, di durata predeterminata, in cui l'erogazione di corrente da parte di detti mezzi di alimentazione (TR, D) è interdetta.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (MP) sono configurati per far partire detto primo intervallo di tempo alla rilevazione di un abbassamento'di detta tensione (VBAT) al di sotto di detto valore inferiore {L0[i).
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (MP) sono configurati per eseguire, nel corso di detta fase di avviamento, al massimo un numero predeterminato di detti cicli di avviamento.
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (MP) sono connessi a detti mezzi interruttori (TP)mediante mezzi opto-isolatori (OC).
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti mezzi interruttori comprendono almeno un transistore di potenza (TP) realizzato in una tecnologia scelta nel gruppo costituito da: BJT, MOS, IGBT. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.