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Progettazione e ottimizzazione di una ESU per veicoli ibridi leggeri con l'utilizzo dei Supercondensatori
di Aniello Valentino, Francesco Villella

Copyright © 2008 A. Valentino, F. Villella

 

L'ambito in cui si inserisce lo studio è quello dei veicoli ibridi, dove per veicolo ibrido si intende un veicolo dotato di due sistemi di propulsione. Il lavoro di tesi ha previsto uno studio di fattibilità di una ESU (Energy Storage Unit) con l'uso dei supercondensatori collocabile a bordo di un veicolo ibrido leggero nella fattispecie di un triciclo inclinabile con controllo automatico del rollio, tale veicolo è denominato TTW (Three Tilting Wheels).
La tesi si articola in sei capitoli nei quali vengono spiegati i motivi che hanno portato ad intraprendere questo lavoro, come il lavoro è stato effettuato ed infine si conclude con un'analisi dei risultati ottenuti.

Segue un breve riassunto dei contenuti per ciascun capitolo:

Introduzione generale
In questo capitolo si introduce l'ambito in cui si inserisce il lavoro svolto, vengono spiegate le motivazioni che hanno reso necessario questo studio e riportati gli obiettivi che si vogliono raggiungere. Il TTW è ha un sistema di propulsione elettrico-termico ed ha a bordo due motori elettrici brushless (tipo in wheels motor) che consentono il movimento delle ruote anteriori ed un motore ICE(Internal Combustion Engine)che permette il movimento della ruota posteriore, inoltre come tutti veicoli ibridi permette il recupero dell'energia in fase di frenata. Il suddetto veicolo presenta un'architettura denominata ibrido parallelo cioè entrambe le propulsioni forniscono coppia alle ruote. Attualmente la sorgente di energia ausiliaria del veicolo sono le batterie ma nella richiesta di picchi di corrente come nelle fasi di accelerazione esse subiscono degli stress che portano al degrado delle prestazioni e alla diminuzione della durata dei cicli di vita. Per avere un veicolo con prestazioni più elevate e per salvaguardare la vita delle batterie è necessario trovare una fonte energetica di supporto alle batterie cioè i supercondensatori. L'obiettivo è quello di valutare se l'introduzione dei supercondensatori nella ESU porti dei vantaggi in termini di prestazioni per il veicolo preso in esame.

Supercondensatori
In questo capitolo vengono descritte le caratteristiche fisiche ed elettriche del supercondensatore, viene presentato un confronto con le batterie sia di tipo tradizionale sia quelle di ultima generazione e si introduce l'elettronica di equalizzazione dei supercondensatori. Il supercondensatore è essenzialmente un condensatore ma con capacità molto più alta di quelli comunemente impiegati nell'elettronica, essi hanno delle aree degli elettrodi molto grandi e degli spessori del dielettrico due ordini di grandezza più piccoli rispetto a quelli dei comuni condensatori, la conseguenza è l'elevato valore di capacità che questi dispositivi riescono ad avere. Dal confronto con le batterie si evince che i supercondensatori hanno una più alta densità di potenza, si ricaricano in un tempo più breve rispetto alle batterie ed hanno una durata in cicli di utilizzo più lunga. Oltre ai vantaggi sopracitati vi sono una serie di svantaggi come il peso, l'ingombro e l'avere una bassa tensione per ogni cella. Analizzando questo ultimo problema si scopre la necessità di collegare più celle in serie, quindi vi è la necessità di non superare la tensione massima nominale che è pari a 2.7V e di equalizzare la tensione su tutte le celle (che saranno diverse per l'elevata tolleranza dei dispositivi circa 20%).

Progettazione della ESU
In questo capitolo si introduce lo stato dell'arte delle ESU con supercondensatori, si propone una soluzione per quanto riguarda l'architettura della ESU e si dimensiona il banco supercondensatori in base alle specifiche di energia richieste. Abbiamo analizzato le varie topologie di ESU che utilizzano i supercondensatori presenti in letteratura ed infine abbiamo scelto la topologia più consona ad essere impiegata nel veicolo TTW. La scelta è stata dettata dalle specifiche elettriche e da quelle funzionali. In base alle specifiche riportate in tabella ed alle restrizioni imposte dal progetto del convertitore DC/DC si è dimensionato il banco di supercondensatori.

  Specifiche
Potenza in trazione 22kW
Tensione Batterie 200V
Durata fase di trazione 5s
Durata fase di frenata 10s
Supercondensatori inseribili/disinseribili
Peso totale della ESU minore possibile

Convertitore DC/DC
In questo capitolo sono state prese in esame le varie topologie di convertitori DC/DC impiegati in progetti analoghi al nostro e si è scelta la topologia più adatta allo scopo. L'analisi ha previsto uno studio dei convertitori per alte potenze isolati e non isolati, è stata scelta una topologia diretta in modo da evitare le perdite dovute ai componenti magnetici e per la sua facilità di realizzazione. La topologia scelta è denominata multiphase ed essendo composta da più \rami" può permettere l'espansione o la riduzione della potenza in uscita aggiungendo o escludendo il numero dei rami in funzione.

Modellistica
In questo capitolo vengono realizzati e validati i modelli dei componenti della ESU. Il lavoro di modellistica è stato realizzato in prospettiva di un futuro inserimento in un simulatore (Virtual Prototype) che permette di valutare le prestazioni del veicolo al variare di alcuni parametri che lo compongono. Sono stati realizzati due modelli denominati rispettivamente prima e seconda approssimazione, il primo è meno accurato ma ha dei tempi di simulazione più rapidi, il secondo modello permette di osservare i valori istantanei di tensione e corrente ma ha tempi di simulazione più lunghi (circa 30 minuti).

Conclusioni
La ESU sarà composta da un banco di supercondensatori formato da 35 celle collegate in serie da 1500F ciascuna, per un peso complessivo del banco di supercondensatori di 11.2kg, inoltre il peso del convertitore è stato stimato in circa 22kg a cui vanno aggiunte le batterie con un peso di 20kg. Per quanto concerne l'utilizzo dei supercondensatori nei veicoli ibridi leggeri possiamo a ermare che il loro impiego non risulta vantaggioso dal punto di vista economico in quanto presentano un costo ricorrente di notevole entità. Ad oggi l'uso dei supercondensatori è giustificato nei veicoli ibridi a trazione pesante come filobus, tram, treni ed altre applicazioni del genere dove il peso e il volume dell'intera applicazione sono trascurabili rispetto alla massa totale del mezzo. Un altro campo dove potrebbero trovare applicazione questi dispositivi è il campo dei veicoli ad altissime prestazioni come quelli impiegati nelle gare di accelerazione. Se la ricerca nei prossimi anni migliorerà i supercondensatori riuscendo ad elevare la tensione della singola cella e a ridurne il peso e l'ingombro allora si potrà investire in questo settore. Se le batterie a ioni di litio dovessero incrementare ulteriormente la loro densità di potenza e riuscissero ad abbassare i tempi di carica al di sotto del minuto allora questa fonte di energia sarebbe preferibile ai supercondensatori.

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