IT201900002289A1 - “sistema di controllo per veicolo elettrico” - Google Patents

Description

“SISTEMA DI CONTROLLO PER VEICOLO ELETTRICO”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e sistema di controllo per veicolo elettrico motorizzato (assistito elettricamente) a due o più ruote, come ad es. un Segway, un’automobile o, più preferibilmente, una bicicletta elettrica qui di seguito presa come esempio applicativo.

Nel ciclismo di oggi è diventato comune misurare le prestazioni di allenamento in watt/kg (rapporto potenza/peso). Allo scopo sono disponibili vari calcolatori di wattaggio (v. ad es. https://www.bergfreunde.eu/cycling-wattage-calculator/) o sistemi di misurazione installati direttamente su una bicicletta. Altri metodi di calcolo sono descritti nell’articolo “New Method to Estimate the Cycling Frontal Area” di P. Debraux, W. Bertucci, A. V. Manolova, S. Rogier, A. Lodini, International Journal of Sports Medicine -·March 2009.

La questione della potenza si pone anche per capire, prima di intraprendere una corsa, quanta energia ha la batteria della bicicletta e quanta strada si può fare pedalando con l’assistenza del motore. Ad es. moltiplicando la tensione di batteria per gli Ampere ora (Ah) della batteria si può calcolare i Watt ora. Dalla stima del consumo medio per Km, si trova poi la massima percorrenza. Per calcoli più accurati sono nati i cosiddetti range-assistant (v. ad es. https://www.bosch-ebike.com/en/service/range-assistant/) o simulatori, che partendo dalle caratteristiche tecniche della bicicletta e del percorso calcolano per l’utente la massima percorrenza ottenibile.

Un primo problema è che questi sistemi sono imprecisi, basati su stime e non lavorano in tempo reale (sono meri suggerimenti). L’utente può fare dei calcoli su un percorso, ma se su strada poi cambia idea quei dati non servono a nulla. Inoltre, per quanto preciso sia un simulatore, la bontà della sua previsione si fonda sul rispetto effettivo dei parametri di viaggio impostati. Se l’utente, volente o nolente, li varia in tempo reale il risultato di simulazione può venire completamente stravolto.

Scopo principale dell’invenzione è il miglioramento di questo stato dell’arte, in particolare la realizzazione di un metodo e di un sistema in grado di controllare un veicolo assistito da un motore elettrico che migliori l’attendibilità di una previsione di massima percorrenza, e/o possa funzionare in tempo reale, e/o garantisca all’utente l’avverarsi di una massima percorrenza calcolata, e/o interagisca col veicolo per garantire all’utente l’avverarsi di una massima percorrenza calcolata.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da quanto definito nelle allegate rivendicazioni indipendenti; altre vantaggiose caratteristiche tecniche sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Un aspetto dell’invenzione è un metodo eseguito da circuito elettronico (ad es. un microprocessore) per controllare un motore elettrico, montato a bordo di un veicolo e alimentato da una batteria a bordo del veicolo, che assiste la propulsione del veicolo, con le fasi di

(i) calcolare quanta energia residua è erogabile dalla batteria;

(ii) calcolare una distribuzione di prelievo energetico dalla batteria durante un percorso di viaggio tra un punto di partenza e una destinazione, la distribuzione essendo tale da imporre che l’energia residua erogabile finisca al più alla destinazione;

(iii) pilotare il motore elettrico affinché eroghi potenza di assistenza alla propulsione o pedalata assorbendo una potenza elettrica dalla batteria corrispondente alla distribuzione calcolata.

In particolare, si calcola detta distribuzione di prelievo energetico tra detti punti suddividendo il percorso di viaggio in settori.

In particolare, un aspetto dell’invenzione prevede la fase di calcolare e impostare, in particolare di settore in settore, un valore massimo di assistenza (potenza assorbita dal motore), ad es. sulla base dello stato temporaneo del veicolo e del tragitto rimanente, senza ad es. calcolare eventuali tragitti di miglior efficienza. La determinazione del detto valore massimo di assistenza consente di rispettare il limite energetico calcolato per la batteria.

In una variante preferita, per calcolare quanta energia il motore sta ricevendo dalla batteria e regolare l’erogazione di energia al motore, in particolare di settore in settore, si rileva (ad es. leggendo un sensore di corrente) la corrente elettrica (monofase o polifase) che entra nel motore e/o si rileva la corrente in uscita dalla batteria.

Fasi preferite del metodo sono quelle di:

- rilevare tramite GPS la posizione attuale del veicolo lungo il definito percorso di viaggio. La posizione attuale così rilevata è usata per definire il detto punto di partenza e/o la posizione attuale del veicolo in un settore; e/o

- impostare o selezionare un percorso di viaggio tra la rilevata posizione attuale del veicolo e la destinazione se, calcolata l’energia residua della batteria per percorrere il percorso, tale energia necessaria è minore o uguale alla energia residua. In caso di energia non sufficiente, il sistema ad es. può regolare il livello di assistenza (potenza erogata dal motore elettrico) in base alla difficoltà del percorso riducendo fino a spegnere l’assistenza nel caso di settori definiti “di minor fatica”, ad es. a minore pendenza in salita; e/o

- effettuare un calcolo periodico, durante la pedalata o propulsione, distribuendo l’energia necessaria considerando come punto di partenza la posizione attuale del veicolo; e/o

- calcolare detta distribuzione con le fasi di

o suddividere il percorso in settori,

o calcolare la potenza totale necessaria al veicolo per percorrere tutti i settori,

o distribuire l’energia della batteria su ciascun settore proporzionalmente alla potenza richiesta nel settore, ad es. in base alla pendenza e/o lunghezza del settore.

Un altro aspetto dell’invenzione è un veicolo elettrico o un sistema comprendente:

un motore elettrico per assistere la propulsione del veicolo,

una batteria per alimentare il motore elettrico,

un circuito elettronico, ad es. un microprocessore programmato allo scopo oppure una scheda a componenti discreti, configurato per

(i) calcolare quanta energia residua è erogabile dalla batteria (tramite ad es. mezzi per misurare la carica residua o un algoritmo di stima);

(ii) calcolare una distribuzione di prelievo energetico dalla batteria durante un percorso di viaggio del veicolo tra un punto di partenza e una destinazione, la distribuzione essendo tale da imporre che l’energia residua erogabile finisca al più alla destinazione;

(iii) pilotare il motore elettrico, ad es. tramite stadi elettronici di potenza, affinché eroghi potenza di assistenza alla pedalata o propulsione assorbendo una potenza elettrica dalla batteria corrispondente alla distribuzione calcolata.

In particolare, il veicolo elettrico è a due o più ruote, come ad es. un Segway, un’automobile o, più preferibilmente, una bicicletta elettrica.

In particolare, il circuito elettronico è programmato o configurato per eseguire una o ciascuna fase del suddetto metodo.

In particolare, il veicolo elettrico o il sistema comprende mezzi o un sensore per rilevare la corrente elettrica (monofase o polifase) che entra nel motore e/o mezzi o un sensore per rilevare la corrente in uscita dalla batteria.

In particolare, il veicolo elettrico o il sistema comprende un dispositivo GPS per rilevare la posizione attuale del veicolo lungo il definito percorso di viaggio.

In particolare, il circuito elettronico è programmato o configurato per generare per il percorso una mappa virtuale divisa in settori, prevedendo per ognun settore un intervallo o valore massimo di potenza erogabile in base a una difficoltà o caratteristica del settore (ad es. la pendenza in salita). Preferibilmente, il circuito elettronico è programmato o configurato per variare tale intervallo o valore massimo di potenza erogabile relativo a ogni settore durante la percorrenza del tragitto stesso in base a come l’utilizzatore affronterà il percorso e/o in base a possibili modifiche effettuate manualmente sul livello di potenza da erogare.

In particolare, nel sistema il circuito elettronico è esterno al veicolo, ad es. è interno ad un cellulare o uno smartphone o un tablet, oppure è montato sul veicolo come computer di bordo.

In particolare, il veicolo elettrico o il sistema comprende una memoria elettronica per memorizzate mappe geografiche o itinerari prestabiliti.

In particolare, il veicolo elettrico o il sistema comprende un’interfaccia, ad es. un touch screen, configurata in modo che l’utente possa programmare un percorso inserendo un punto di partenza (ad es. un punto specifico o la posizione attuale rilevata dal GPS) e una destinazione.

In particolare, il veicolo elettrico o il sistema comprende mezzi per indicare all’utente quale rapporto di marcia usare (tramite ad es. un display), onde utilizzare l’assistenza nel punto di efficienza massima del motore.

Preferibilmente il circuito elettronico è programmato per innestare indipendentemente dall’utente il rapporto di marcia onde impostare l’assistenza nel punto di efficienza massima del motore.

Un altro aspetto dell’invenzione è un programma software, ad es. una app per smartphone, comprendente istruzioni di programma che, quando caricate in un microprocessore e ivi eseguite, fanno operare il microprocessore in modo che esegua il metodo suddetto, in una o ciascuna variante.

Ulteriori vantaggi risulteranno chiari dalla descrizione seguente, che si riferisce ad un esempio di realizzazione preferito di sistema in cui:

- la figura 1 mostra una vista schematica di un sistema di controllo per bicicletta elettrica;

- la figura 2 mostra un grafico per un algoritmo di controllo della bicicletta elettrica.

Una bicicletta 10 comprende un noto telaio 14 collegato a una ruota posteriore 16, una sella 20 e a una ruota anteriore 12 che si può sterzare con un manubrio 18.

Il telaio 14 alloggia un motore elettrico 30, una batteria 50 per alimentare il motore elettrico 30 e un circuito elettronico 40 per controllare il motore 30. Il circuito elettronico 40 è preferibilmente un microprocessore, per semplificare la programmazione e esecuzione delle funzioni.

Il motore elettrico 30 fornisce una coppia propulsiva alla ruota 16 onde assistere la pedalata della bicicletta 10.

Un dispositivo M viaggia insieme alla bicicletta 10 ed è preposto al controllo della pedalata assistita e alla modulazione della potenza del motore 30. Il dispositivo M può essere esterno alla bicicletta 10, ad es. un cellulare o uno smartphone o un tablet portato dal ciclista, o montato sulla bicicletta 10, ad es. un computer di bordo montato sulla bicicletta 10 o un modulo elettronico interno al motore 30 o il circuito 40 stesso.

La funzione del dispositivo M è la regolazione dinamica e automatica della potenza erogata dal motore 30 per garantire un aiuto, ad es. costante, alla pedalata durante un tragitto definito dall’utente. Nel tragitto il dispositivo M è configurato per garantire la durata della batteria 50, quindi un viaggio più - o il più possibile - confortevole.

Il dispositivo M è collegato al motore 30 in modalità cablata (ad es. via CAN. RS232) o wireless (ad es. via un canale wi-fi, un canale Bluetooth, o radio).

Preferibilmente il dispositivo M è dotato di GPS, per localizzare la bicicletta 10 sul territorio, ma potrebbe solo avere memorizzate delle mappe geografiche o itinerari prestabiliti.

Il dispositivo M comprende un’interfaccia, ad es. un touch screen, configurata in modo che l’utente possa programmare un percorso inserendo un punto di partenza (ad es. un punto specifico o la posizione attuale rilevata dal GPS) e una destinazione.

Il dispositivo M contiene un elaboratore elettronico 60 programmato per calcolare il percorso e suddividerlo in settori, ad es. in settori con pendenze simili, e per stimare il dispendio energetico della batteria 50 per ogni settore. Preferibilmente il dispositivo M è programmato per controllare o limitare l’erogazione della potenza del motore 30) lungo il complessivo tragitto selezionato.

I dati a disposizione dell’elaboratore 60 per il suddetto calcolo possono essere:

- inseriti in una sua memoria o database interno, oppure remoto e consultabile tramite un segnale wireless (ad es. via un canale wi-fi, un canale Bluetooth, o radio). Tali dati possono includere ad es.: una mappa altimetrica, una mappa del percorso, una mappa sulla tipologia del manto stradale, dati sulle condizioni meteorologiche; e/o

- inseriti dall’utente, tra cui: il proprio peso (del ciclista), il peso della bicicletta 10, il diametro delle ruote 1216, lo spessore delle ruote 1216, il tipo di copertone, i rapporti disponibili nel cambio marce; e/o - forniti dal sistema e-bike della bicicletta 10, tra cui ad es.: potenza del motore 30, curve di efficienza del motore 30, capacità della batteria 50, stato della batteria 50, cronologia delle preferenze utente (coppia e velocità dei pedali preferita dall’utente).

L’elaboratore 60 è programmato per eseguire un algoritmo di stima energetica utilizzando dati aggiornati in tempo reale; in particolare l’elaboratore 60 è programmato per eseguire tale algoritmo ciclicamente per l’intera durata del viaggio, ad intervalli di tempo periodici (ad es. da 100ms a 100s).

In aggiunta, l’elaboratore 60 è preferibilmente programmato per indicare all’utente quale rapporto di marcia usare (tramite un display, non mostrato), onde utilizzare l’assistenza nel punto di efficienza massima del motore 30.

Oppure l’elaboratore 60 è preferibilmente programmato per innestare indipendentemente dall’utente il rapporto di marcia onde impostare l’assistenza nel punto di efficienza massima del motore 30.

Il suddetto algoritmo di stima energetica può essere un algoritmo noto, e se ne presenta di seguito un esempio in fig.2, che mostra il grafico relativo all’altimetria di un percorso.

Definito con S un punto di partenza e con E un punto di arrivo, il percorso viene suddiviso in settori in funzione della loro pendenza.

Un settore viene definito quando la variazione di pendenza all’interno dello stesso è superiore ad una soglia (ad es. il 3%), e l’inizio e la fine di un settore sono attribuiti in corrispondenza di una pendenza pari a zero (derivata nulla). Un esempio della partizione del percorso con questo criterio è visibile in fig.2.

Un altro metodo di suddivisione in settori è per distanza di percorso uguale, o una combinazione dei due metodi precedenti.

Per ogni settore viene calcolata la potenza richiesta al ciclista Plegs usando la formula:

dove:

V = Velocita media settore; A = Area frontale;

Lossdt = Efficienza; W = Massa del ciclista Massa della bicicletta;

G = Pendenza media settore; Crr = Resistenza di rotolamento media nel settore;

Cd = Resistenza del vento media nel settore (drag); Rho = Densità dell’aria.

Quindi calcolando periodicamente la differenza tra la carica residua della batteria 50 nel punto di partenza S, e la somma della potenza richiesta per ogni settore successivo (S-A1, A1-A2….A6-E) l’elaboratore 60 calcola la percentuale massima di assistenza che il motore 30 potrà fornire per ogni settore alla pedalata impostandolo come limite massimo di assistenza.

La distribuzione dell’energia residua per ogni settore può essere calcolata con varie strategie.

Ad es. si può determinare la potenza massima da assegnare ad un settore come la potenza richiesta nel settore moltiplicata per una costante data dal rapporto tra potenza usufruibile (residuo batteria) e quella necessaria (sommatoria delle potenze di tutti i settori), ovvero si fa una media pesata. Se Xi è l’energia da assegnare al settore i-esimo, Pi la potenza richiesta dal settore i-esimo, PT la potenza richiesta totale, PB l’energia residua nella batteria 50, vale:

L’elaboratore 60 trasmette al circuito elettronico 40 un riferimento di velocità calcolato per ogni settore in funzione ad es. alla pendenza media del settore (maggiore la pendenza, maggiore lo sforzo del ciclista e maggiore l’energia da erogare per l’assistenza). Il circuito elettronico 40 userà il riferimento di velocità per controllare il regime del motore 30, quindi stabilendo indirettamente la potenza che esso eroga.

Si noti che l’elaboratore 60 e il circuito elettronico 40 possono, come già detto, anche coincidere.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo eseguito da circuito elettronico (60) per controllare un motore elettrico (30), che è montato a bordo di un veicolo (10) e alimentato da una batteria (50) a bordo del veicolo e che assiste la propulsione del veicolo, con le fasi di (i) calcolare quanta energia residua è erogabile dalla batteria; (ii) calcolare una distribuzione di prelievo energetico dalla batteria durante un percorso di viaggio del veicolo tra un punto di partenza (S) e una destinazione (E), la distribuzione essendo tale da imporre che l’energia residua erogabile finisca al più alla destinazione; (iii) pilotare il motore elettrico (30) affinché eroghi potenza di assistenza alla propulsione assorbendo una potenza elettrica dalla batteria (50) corrispondente alla distribuzione calcolata.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui si calcola detta distribuzione di prelievo energetico tra detti punti suddividendo il percorso di viaggio in settori e per ogni settore si calcola il relativo contributo di prelievo energetico.
3. 3. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui si calcola e imposta, in particolare di settore in settore, un valore massimo di potenza assorbita dal motore.
4. 4. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui per calcolare quanta energia il motore sta ricevendo dalla batteria e regolare l’erogazione di energia al motore, si rileva la corrente elettrica che entra nel motore e/o si rileva la corrente in uscita dalla batteria.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui si rileva tramite GPS la posizione attuale del veicolo per definire il detto punto di partenza e/o la posizione attuale del veicolo in un settore.
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui si effettua un calcolo periodico, durante la propulsione, distribuendo l’energia residua della batteria considerando come detto punto di partenza la posizione attuale del veicolo.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui si calcolare detta distribuzione tramite le fasi di - suddividere il percorso in settori, - calcolare la potenza totale necessaria al veicolo per percorrere tutti i settori, - distribuire l’energia residua della batteria su ciascun settore proporzionalmente alla potenza richiesta nel settore.
8. 8. Veicolo elettrico (10) o sistema comprendente: un motore elettrico (30) per assistere la propulsione del veicolo, una batteria (50) per alimentare il motore elettrico, un circuito elettronico (60) configurato per (i) calcolare quanta energia residua è erogabile dalla batteria; (ii) calcolare una distribuzione di prelievo energetico dalla batteria (50) durante un percorso di viaggio del veicolo tra un punto di partenza (S) e una destinazione (E), la distribuzione essendo tale da imporre che l’energia residua erogabile finisca al più alla destinazione; (iii) pilotare il motore elettrico (30) affinché eroghi potenza di assistenza alla propulsione assorbendo una potenza elettrica dalla batteria corrispondente alla distribuzione calcolata.
9. 9. Veicolo elettrico o un sistema secondo la rivendicazione 8, in cui il circuito elettronico è programmato o configurato per generare per il percorso una mappa virtuale divisa in settori, prevedendo per ognun settore un intervallo o valore massimo di potenza erogabile in base a una caratteristica del settore.
10. 10. Veicolo elettrico o un sistema comprendente: secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui il circuito elettronico è esterno al veicolo, all’interno di un cellulare o uno smartphone o un tablet.