DOMANDA DI BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:
“Apparato per il test ed il condizionamento di batterie di tipo ricaricabile.”
* ;CAMPO DELL’INVENZIONE ;La presente invenzione si riferisce all’ambito tecnico degli apparati per il test e il condizionamento di batterie di tipo ricaricabile, con particolare riferimento agli apparati per il test ed il condizionamento di batterie di tipo ricaricabile basati su una pluralità di convertitori di tensione e corrente collegati in parallelo su uno stesso carico e controllati in modo tale da distribuire la corrente complessiva erogata tra i vari convertitori di detta pluralità di convertitori e in modo tale da mantenere, in fasi di test specifiche, una tensione costante ai capi di detto carico. STATO DELL’ARTE ;Gli attuali apparati per il test e il condizionamento di batterie - in particolare per ciò che riguarda le batterie di tipo cosiddetto “advanced chemistry” o “high chemistry” comprendenti batterie al litio, al nichel metallo idrato etc. – comprendono, in genere, una pluralità di convertitori di tensione e corrente, che possono funzionare in maniera indipendente oppure possono essere collegati in parallelo ad un carico comune comprendente una o più batterie. Detti convertitori sono collegati a una linea di alimentazione comune, in genere alternata trifase, e a un bus dati associato ad un controllore locale atto ad interfacciarsi con i singoli convertitori e con un controllore esterno, in genere realizzato tramite un personal computer equipaggiato di software opportuno. ;Detti apparati per il test e il condizionamento di batterie, impiegano moduli di controllo caratterizzati, in genere, da un anello di retroazione basato sul valore della corrente erogata da ciascun convertitore, secondo un’architettura “centralizzata” in cui è presente un modulo di controllo centrale alla quale sono collegati tutti i convertitori di tensione e corrente facenti parte dell’apparato di test. Questa architettura ‘centralizzata’ ha il beneficio di permettere, all’utente dell’apparato, la configurazione di funzionamento dei vari convertitori tramite un controllo software esterno all’apparato stesso, senza quindi richiedere nessuna modifica hardware. Questa architettura permette inoltre il controllo di ciascun convertitore come singolo elemento oppure come parte di un gruppo di convertitori disposti in parallelo, in teoria senza restrizioni nel numero o nella posizione di detti convertitori all’ interno dell’apparato. Questa esigenza è sentita nel caso in cui l’apparato debba effettuare anche test in cui sono richieste correnti superiori alla corrente nominale di un singolo convertitore, in tal caso, la possibilità di configurare via software il numero di convertitori attivi all’interno dell’apparato consente una grande flessibilità d’impiego e di gestione. ;La suddetta flessibilità d’impiego è molto utile nei vari cicli di condizionamento delle batterie di tipo “advanced chemistry” che prevedono cicli di carica e scarica sia a corrente costante che a tensione costante. ;I test a tensione di batteria constante effettuati con correnti più elevate di quelle nominali dei singoli convertitori, vengono eseguiti collegando in parallelo più convertitori e controllando la tensione di uscita sul carico (la batteria o le batterie sotto test) tramite un anello di retroazione in tensione che agisce regolando la somma delle correnti erogate dai vari convertitori in funzione, in modo che la tensione di uscita rimanga, appunto, costante. ;Questo controllo in tempo reale, viene eseguito dal modulo di controllo centrale che, dopo avere ricevuto le informazioni sulla corrente erogata da ciascun convertitore e sulla tensione di batteria, aggiusta detta tensione di batteria regolando le correnti di ciascun convertitore, facendo in modo di suddividerle in parti approssimativamente uguali tra i vari convertitori presenti applicando opportuni algoritmi di current sharing. ;Questa architettura centralizzata presenta, inoltre, un altro beneficio che e’ quello di fornire la lettura e l’elaborazione dei dati provenienti dalle batterie sotto test. Ciascun convertitore attivo, infatti, invia al modulo di controllo centrale i dati relativi alla corrente erogata e inoltre, un singolo convertitore invia al modulo di controllo centrale il dato relativo al valore della tensione ai capi della batteria sotto test. Le letture di questi dati, da parte del modulo di controllo centrale avvengono ad intervalli di tempo che vanno da 1ms fino a 100ms. ;I suddetti dati vengono usati principalmente per due scopi: il primo è il controllo dei vari convertitori; il secondo è il monitoraggio del comportamento dell’apparato per cui detti dati vengono opportunamente filtrati e inviati a detto controllore esterno e resi disponibili all’utente per essere visualizzati, analizzati e post-elaborati. ;Pertanto, nell’architettura di controllo degli apparati per il test e il condizionamento di batterie dello stato dell’arte, tutti i dati provenienti dal test delle batterie confluiscono verso il modulo di controllo centrale e lì vengono elaborati sia per il controllo sia per la post-elaborazione. ;E’ chiaro che, più alto è il numero dei convertitori disposti in parallelo e più alto è il numero di letture di valori di corrente che il modulo di controllo dovrà effettuare, maggiore sarà il numero di accessi al bus dati che detto modulo di controllo dovrà effettuare e, di conseguenza, più lenta sarà la risposta complessiva dell’anello di retroazione del sistema con un’ovvia diminuzione della prontezza dell’intero sistema e dell’accuratezza nella regolazione della tensione di uscita sul carico. Il problema summenzionato fa sì che spesso, negli apparati dello stato dell’arte comprendenti, ad esempio, 24 convertitori selezionabili per operare in parallelo su un carico comune, il numero dei convertitori che vengono effettivamente abilitati ad operare in parallelo contemporaneamente non sia mai maggiore di 8. ;Lo scopo principale della presente invenzione, visti i sopraelencati problemi connessi con i sistemi dello stato dell’arte, è, pertanto, l’introduzione di un nuovo apparato per il test ed il condizionamento di batterie di tipo ricaricabile tale da: minimizzare I tempi di comunicazione fra i vari convertitori di detto apparato connessi in parallelo riducendo gli accessi al bus dati di comunicazione con il modulo di controllo; rendere più rapidi I tempi di risposta dell’anello di retroazione in corrente comune al gruppo di convertitori connessi in parallelo, in modo da rendere, di conseguenza, più accurata la regolazione della tensione sul carico. BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE ;Fig. 1 Illustra uno schema a blocchi generico dell’apparato secondo la presente invenzione. ;Fig. 1_bis Illustra uno schema a blocchi di una realizzazione preferita dell’apparato secondo la presente invenzione. ;Fig. 2 illustra l’andamento tipico delle correnti dei vari convertitori collegati in parallelo secondo la presente invenzione, in fase di regolazione del carico. ;Fig. 3 Illustra uno schema a blocchi della struttura di un convertitore di tensione appartenente all’apparato secondo la presente invenzione. ;SOMMARIO DELL’INVENZIONE ;La presente invenzione concerne un apparato per il test ed il condizionamento di batterie di tipo ricaricabile tale da: minimizzare I tempi di comunicazione fra i vari convertitori di detto apparato connessi in parallelo riducendo gli accessi al bus dati di comunicazione con il modulo di controllo; rendere più rapidi I tempi di risposta dell’anello di retroazione in corrente comune al gruppo di convertitori connessi in parallelo, in maniera da rendere, di conseguenza, più accurata la regolazione della tensione sul carico. ;DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE ;L’apparato per il test ed il condizionamento di batterie secondo la presente invenzione si applica, in particolare, appartiene al campo dei sistemi comprendenti una pluralità di convertitori di tensione collegati in parallelo ad alimentare un carico in modalità a tensione costante. ;L’apparato secondo la presente invenzione è in grado di ottimizzare la regolazione della tensione sul carico mediante la realizzazione di un anello di controllo tale da minimizzare i cicli di lettura e di accesso al bus dati del modulo di controllo e tale da consentire, quindi, una regolazione più precisa e più pronta della tensione sul carico alimentato. ;L’idea alla base della presente invenzione prevede la realizzazione di una nuova modalità di comunicazione, tale da alleggerire il modulo di controllo dell’apparato secondo la presente invenzione da una serie di operazioni in modo da velocizzare l’anello di controllo della corrente erogata dai singoli convertitori disposti in parallelo. In riferimento alle figure 1 e 1_bis allegate, detta nuova architettura mantiene il bus dati principale 16 per la connessione punto-punto tra il modulo di controllo centrale e i singoli convertitori, introducendo un bus dati secondario 17, condiviso tra i convertitori 10 e atto a collegare detti convertitori 10 tra loro in una “daisy chain” chiusa. ;Detto bus dati principale 16 è atto a trasferire l’impostazione del valore di tensione / corrente di funzionamento da detto modulo di controllo 12 ai convertitori configurati come master e a trasferire i dati relativi al funzionamento attuale da ogni convertitore al modulo centrale di controllo, dati che vengono in seguito inviati al controllore esterno per le post-elaborazioni e visualizzazioni operate dall’utente, il bus dati secondario è invece deputato a trasferire tra i vari convertitori attivi selezionati per funzionare in parallelo i dati relativi all’anello di controllo, cioè i dati di impostazione della corrente e/o della tensione di uscita di ciascun convertitore. In questo modo l’anello di controllo della corrente erogata dai vari convertitori risulta molto più veloce e atto a consentire, di conseguenza, una più accurata regolazione della tensione sul carico. ;In riferimento alle figure allegate, l’apparato secondo la presente invenzione comprende: una pluralità di convertitori di tensione 10 collegati con i terminali di uscita in parallelo su un carico 11; un modulo di controllo centrale o locale 12; un controllore esterno o remoto 13, munito di opportuna interfaccia utente, preferibilmente realizzato tramite un personal computer e associato a detto modulo di controllo centrale o locale 12; un bus dati principale 16 atto a collegare ciascun convertitore 10 con detto modulo di controllo centrale o locale 12 e un bus dati secondario 17 atto a collegare detti convertitori 10 tra loro preferibilmente in modalità cosiddetta “daisy chain”. ;Ciascuno di detti convertitori di tensione 10 comprende, a sua volta, almeno tre porte di comunicazione di cui una prima porta di comunicazione 20 atta a stabilire connessioni con detto modulo di controllo 12, una seconda 14 e una terza 15 porta di comunicazione atte a stabilire connessioni con altri convertitori 10, almeno un microprocessore 18 e un ulteriore processore 19, associato a detto microprocessore 18 e dedicato a gestire, in particolare, la comunicazione da e verso detti bus di comunicazione 16, 17, detto processore dedicato 19 essendo preferibilmente realizzato tramite un dispositivo programmabile, ad esempio tramite un dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array). ;Dette porte di comunicazione 20, 14, 15 sono preferibilmente di tipo RS485 fullduplex, atte a gestire ricezione e trasmissione in contemporanea. ;Detti convertitori 10 sono collegati, ciascuno, a detto modulo di controllo 12, attraverso detta prima porta di comunicazione 20 e detto bus principale 16, e ad almeno un altro convertitore 10, attraverso detto bus secondario 17, in configurazione cosiddetta “daisy chain”, in base alla quale ciascun convertitore 10 riceve, su detta seconda porta di comunicazione 14, dati provenienti dal convertitore 10 posizionato a monte e trasmette, tramite detta terza porta di comunicazione 15, detti dati verso il convertitore 10 posizionato a valle. ;Detto controllore esterno o remoto 13, inoltre, comprende mezzi atti a configurare detti convertitori 10 come master o come slave all’interno di detta pluralità di convertitori 10. La configurazione dei convertitori slave e del convertitore master avviene preferibilmente tramite un comando software che l’utente invia, tramite detto controllore esterno o remoto 13 e tramite detto modulo di controllo centrale o locale 12 al microprocessore 18 dei singoli convertitori 10 attraverso detto bus dati principale 16. ;In accordo alla presente invenzione, detti convertitori 10 vengono configurati in modo che detta pluralità di convertitori 10 possa essere divisa in uno o più gruppi , ciascuno di questi comprendente un solo convertitore Master e una pluralità di convertitori Slaves. ;All’interno di ciascuno di detti gruppi, il convertitore master è il convertitore che effettua la lettura della tensione dal carico e riceve l’impostazione del valore di tensione / corrente di funzionamento da detto modulo di controllo 12 attraverso detto bus dati principale 16. Detto convertitore master, inoltre, provvede ad inviare l’impostazione del valore di corrente di funzionamento ai vari convertitori slave ad esso associati, attraverso detto bus dati secondario 17. Detto convertitore master e detti convertitori slave, inoltre, inviano periodicamente, secondo le modalità note nei sistemi dello stato dell’arte, i dati relativi al proprio funzionamento a detto modulo di controllo centrale o locale 12, attraverso detto bus dati principale 16, per dar modo all’utente di effettuare eventuali monitoraggi, archiviazioni o elaborazioni di detti dati attraverso detto controllore esterno o remoto 13. ;Con la topologia e la modalità di controllo secondo la presente invenzione, a differenza di ciò che accade nel caso dei tradizionali algoritmi di “current sharing”, in cui l’obiettivo principale è ripartire equamente le correnti tra i vari moduli in parallelo, l’obiettivo principale è di variare tempestivamente la corrente di carico complessiva, in modo da mantenere costante la tensione di batteria, tramite l’azione del convertitore master che comunica esclusivamente con gli altri convertitori tramite detto bus secondario 17. ;In questo modo i vari convertitori settati come slave secondo la presente invenzione non hanno bisogno, come accade nei sistemi dello stato dell’arte, di comunicare con detto modulo di controllo centrale o locale 12 per ottenerne l’impostazione del valore di tensione / corrente di funzionamento, cosa che, nei sistemi dello stato dell’arte, richiede un numero molto elevato di accessi al bus di comunicazione verso detto modulo di controllo centrale o locale 12 con un conseguente rallentamento dell’anello di controllo complessivo. ;La presente invenzione impiega vantaggiosamente un doppio bus di comunicazione 16, 17 in cui detto bus dati principale 16 è deputato ad ospitare la comunicazione tra i vari convertitori e detto modulo di controllo centrale o locale 12 (impostazioni del valore di tensione / corrente da impostare per il master e dati di monitoraggio relativi al proprio funzionamento per master e slave) mentre detto bus dati secondario 17 è deputato ad ospitare esclusivamente la comunicazione delle impostazioni del valore di corrente da raggiungere dai master agli slave corrispondenti. ;In riferimento alla figura 1_bis allegata, in una realizzazione preferita della presente invenzione detto bus dati principale 16 comprende una pluralità di collegamenti punto – punto, atti a connettere ciascuno di detti convertitori 10 con detto modulo di controllo centrale o locale 12 in modo da stabilire una connessione full duplex. Nella stessa realizzazione preferita della presente invenzione, detto bus dati secondario 17 comprende un bus passante attraverso ciascuno di detti convertitori 10. Detto bus dati secondario 17 si collega a ciascuno di detti convertitori 10 attraverso detta seconda 14 e detta terza 15 porta di comunicazione. Vantaggiosamente, dato che detto bus dati secondario 17 comprende generalmente 4 conduttori, può essere realizzato da una pluralità di cavi terminati con un connettore di tipo Ethernet. ;La presente invenzione, mediante l’introduzione di detto doppio bus di comunicazione 16, 17 e della modalità descritta di trasferimento dei dati di impostazione dai convertitori master ai convertitori slave all’interno di ogni gruppo di convertitori, consente di evitare i molti accessi ad un solo bus di comunicazione da parte di tutti i convertitori del sistema tipici dei sistemi dello stato dell’arte, riducendo complessivamente il tempo di risposta dell’anello di controllo della corrente erogata dai 20 msec tipici dei sistemi dello stato dell’arte a circa 10 usec. Il risparmio in termini di tempo è notevolissimo, in quanto, come detto, si evitano, con la presente invenzione, gli accessi ad un bus condiviso da parte di una pluralità di convertitori, accessi che spesso devono andare incontro a lunghi tempi di attesa a causa di più richieste concomitanti. ;Realizzare tempi di risposta di soli 10usec consente di avere un anello di controllo con una banda di frequenza disponibile di circa 10 kHz e quindi di controllare accuratamente ogni variazione di tensione sul carico che avvenga con una banda di frequenza minore di 1 kHz. ;In riferimento alla figura 2 allegata, l’andamento delle correnti dei vari convertitori collegati in parallelo secondo la presente invenzione è il seguente. Consideriamo a titolo di esempio 5 convertitori collegati in parallelo di cui uno configurato come master. Consideriamo che le condizioni del carico subiscano una variazione tale da richiedere che le correnti dei vari convertitori debbano ridursi fino a zero per mantenere la tensione costante sula batteria. ;Inizialmente il convertitore master regola la tensione sul carico abbassando la propria corrente di uscita da un valore iniziale, ad esempio 50 A, fino ad un valore di soglia, ad esempio 5 A. In corrispondenza del punto (a), quando la corrente del Master è già scesa intorno al valore di soglia di 5 A, detto convertitore master accede a detto bus secondario 17 per comunicare al convertitore 1 di ridurre la propria corrente al valore di 5 A, in seguito a ciò, la corrente del convertitore 1 si riduce a 5 A mentre la corrente del master aumenta nuovamente fino a circa 50 A per regolare la tensione sul carico. Supponendo che il carico rappresentato dalla batteria continui a decrescere, la corrente del convertitore master inizia nuovamente a scendere finché, quando raggiunge il valore, ad esempio, di 40 A, in corrispondenza del punto (b), detto convertitore master accede nuovamente a detto bus secondario 17 e impartisce al convertitore 1 il comando di spegnersi. In seguito a ciò, il convertitore master aumenta inizialmente l’erogazione di corrente per regolare la tensione sul carico (punto c) e poi provvede nuovamente a ridurre la corrente erogata finché questa non scende ad un valore di soglia, ad esempio, di 5A (punto d), a questo punto si ripete la procedura descritta in precedenza, il convertitore master accede nuovamente a detto bus secondario 17 e comanda il convertitore 2 di portare la sua corrente a 5A (Punto e) ripetendo la procedura seguita per il convertitore 1. ;Il convertitore master ripete questa procedura con tutti i convertitori finche’ non vengono spenti tutti. In corrispondenza del punto (f) tutti i convertitori sono spenti eccetto il convertitore master. Il convertitore master continua a controllare la propria corrente di carico riducendola fino ad arrivare al completo spegnimento in corrispondenza del punto (g). ;Nell’esempio descritto, con un sistema di 5 convertitori in parallelo, un totale di 8 accessi a detto bus secondario da parte del convertitore master sono sufficienti a controllare la corrente di carico complessiva utilizzando sempre l’anello di retroazione Interno al convertitore master e il bus secondario 17. *