Dottorato in Veicoli Terrestri e Sistemi di Trasporto – Università di Pisa
Sintesi della Tesi di Dottorato: 2006-2008
Allievo: Antonio di Donato
Sommario
Oggetto dello studio e ricerca intrapreso durante il corso di dottorato sono stati i sistemi di
propulsione ibrida per veicoli terrestri. In particolar modo è stato analizzato l’utilizzo di tali sistemi per applicazioni in ambito ferroviario, grazie al coinvolgimento in un progetto commissionato da Trenitalia Spa, ma anche veicoli stradali e veicoli per applicazioni industriali.
Per questo obbiettivo sono stati sviluppati modelli dei veicoli comprensivi di tutti i sottosistemi
ed implementati in programmi di simulazione quali MatLab Simulink. Attraverso tali modelli
sono state condotte analisi finalizzate a:
• valutare le performance dei veicoli e confrontare diversi sistemi di propulsione, permettendo una valutazione tecnica-ambientale;
• valutare la possibilità di realizzare ibridazioni di veicoli attualmente esistenti a propulsione
tradizionale, permettendo anche un analisi economica costi-benefici;
• sviluppare nuovi algoritmi di controllo per la gestione energetica.
La tesi risulta strutturata in tre sezioni: la prima sezione in cui vengono illustrate le applicazione in cui possono essere considerati i veicoli ibridi, in particolar modo si approfondisce
l’utilizzo degli stessi nell’ambito ferroviario, mostrando i risultati ottenuti dallo studio. La seconda sezione presenta i modelli sviluppati ed il simulatore utilizzato per le analisi con i risultati ottenuti. Infine un ultima sezione riporta gli studi relativi al sistema di gestione energetica
di tali veicoli.
1 Sistemi di propulsione ibrida per veicoli terrestri
I veicoli ibridi si presentano in variate strutture anche molto differenti tra loro, comunque, tutte queste condividono la caratteristica che presentano due o più fonti di energia dalle quali
viene prelevata la potenza necessaria per la propulsione. Nei veicoli ibridi elettrici HEVs (Hybrid Electric Vehicles) almeno una fonte è di natura elettrica.
Nella stragrande maggioranza dei casi sono presenti due tipologie di sorgenti di energia per
la propulsione che sono:
• una sorgente che prende energia da un combustibile, tipicamente fossile (benzina o gas
naturale), o anche non fossile come l’idrogeno. Questa sorgente converte l’energia contenuta nel combustibile in una forma energetica di maggior pregio (di tipo meccanica o elettrica) attraverso un processo non reversibile.
• un’altra sorgente di energia è rappresentata dai sistemi di accumulo (tipicamente costituiti
da sistemi elettrochimici come le batterie o elettrici come i supercondensatori). Tale sorgente può generare energia elettrica solo se essa è stata precedentemente immagazzinata al suo interno. Quindi i flussi energetici corrispondenti sono di tipo bidirezionale e la riserva deve gestita in modo tale da considerare che, se essa si svuota completamente,
non può più fornire ulteriore energia, e al contrario se completamente piena non può più
accettare ulteriore energia.
combustibile
Sorgente di energia
meccanica o elettrica
P
P
Σ
Azionamento
P
ruote
Sistema
Accumulo
Fig. 1: Diagramma dei flussi di potenza nei semplici sistemi di propulsione HEVs.
1
Le più semplici architetture, spesso considerate nell’ibridazione di drive-train convenzionali
sono le così dette SERIE: Series Hybrid Electric (SHEV) e PARALLELA: Parallel Hybrid Electric (PHEV), i cui schemi generali sono riportati nelle figure 2a) and fig. 2b) rispettivamente.
Nella soluzione ibrida serie, tutta la potenza di trazione è ottenuta elettricamente, e la somma dell’energia fornita dalle diverse sorgenti di potenza presenti a bordo, è espressa in termini di quantità elettriche nel nodo elettrico comunemente in corrente continua (DC bus in
fig. 2a); nella struttura parallela invece, la somma è ottenuta in termini di quantità meccaniche, in un dispositivo come riportato in fig. 2b) denominato “Mechanical Bus (MB)”.
fuel converter
Mech. power
to Wheels
DC
EG
Fuel
PC
Ps Bus Pu
Pp
PC
EM
PES
Electric Drive
ES
a)
Pea
Pma
Driver inputs
Energy Management System (EMS)
Other signals
Pp
Ps
Mech. power
to Wheels
ME
Fuel
PES
fuel
converter
EM
Pma
MB
PC
Electric
Drive
ES
b)
Pea
Driver inputs
Energy Management System (EMS)
EG= Electricity Generator
ME=Mechanical Engine
PC=Power Conditioner
Other signals
ES= Energy Storage
EM=Electric Motor
MB=Mechanical Bus
Fig. 2: Struttura generala di drive train di tipo serie (a) e parallelo (b).
Nella figura il generico componente Generatore Elettrico (EG) è spesso costituito da un motore a combustione interna (ICE) accoppiato con un alternatore trifase, ma può anche esserci una turbina a gas al posto dell’ICE, o l’intero EG può essere di diversa natura come ad esempio un sistema basato su celle a combustibile.
In maniera analoga, il dispositivo indicato in figura come “Mechanical Engine (ME)” può essere tipicamente un motore a combustione interna, ma anche di altra natura.
In figura sono mostrati i flussi energetici principali:
• Ps è la potenza della sorgente, che è ottenuta dalla trasformazione del combustibile.
• PES è la potenza del sistema di accumulo (preso positiva se uscente dal sistema).
• Pma e Pea sono le potenze meccaniche ed elettriche degli ausiliari rispettivamente (tutti i
carichi elettrici e meccanici non destinati alla propulsione, come ad esempio il sistema di
condizionamento, infotainment, illuminazione, etc.). Nei casi di struttura parallela Pma è ottenuta derivando potenza dal bus meccanico MB, ma può essere ottenuta anche da un
qualsiasi albero derivato del motore.
Nel caso di sistemi basati su celle a combustibile (Fuel Cell), Pma è ovviamente assente.La
potenze degli ausiliari, anche se sono molto importanti nell’operatività dei veicoli, sono normalmente di minore entità rispetto alle potenze necessarie per la propulsione.
2
Ma ovviamente, in fase di progettazione devono essere tenute in conto, considerando
l’esatto punto di prelievo della potenza elettrica o meccanica dallo schema di propulsione.
2 Sistemi di propulsione Ibrido Serie per applicazioni ferroviarie
I sistemi di propulsione ibridi sono sempre più utilizzati in quasi tutti i mezzi di trasporto, in
particolare quelli terrestri e navali, perché presentano vantaggi in relazione ai minori consumi
e alle minori emissioni a parità di percorso; ulteriori vantaggi sono riscontrabili in una maggiore flessibilità nel configurare il layout di bordo e nella maggiore controllabilità e flessibilità
di utilizzo.
L’uso in ambito ferroviario di propulsori ibridi presenta tutti i vantaggi sopra descritti e, trattandosi di un sistema di trasporto pesante, è poco penalizzato dai maggiori pesi e volumi che
normalmente si hanno con questi sistemi di propulsione.
Un sistema ibrido con accumulo in ambito ferroviario permette di:
• migliorare l’efficienza energetica del sistema consentendo di scegliere il punto di lavoro
del motore primo con una certa libertà, ad esempio facendolo lavorare più prossimo alle
condizioni di rendimento massimo; in tal modo si possono anche ridurre in maniera sensibile le emissioni inquinanti in atmosfera;
• migliorare l’efficienza energetica del sistema consentendo durante le frenate di ricuperare
parte dell’energia di frenatura convogliandola nel sistema di accumulo;
• effettuare tratti a propulsione esclusivamente elettrica, quindi ad emissioni di sostanze inquinanti localmente nulle e bassissime emissioni acustiche.
L’attività di ricerca si è sviluppata su un progetto commissionato da Trenitalia Spa inerente
all’ibridazione di due veicoli ferroviari di piccola taglia, l’automotrice ALn668 e il Locomotore
di Manovra D141, ma lo studio è stato condotto dapprima in maniera generale per poi essere
calato nella particolarità specifica dei due veicoli.
A uto motrice A L n668
Locomotore D 141
Figura 3: Veicoli ferroviari di interesse per l’ibridazione.
Il drive-train attuale dell’automotrice ALn668 è costituito da due sistemi di propulsione autonomi ciascuno composto da un Motore a Combustione Interna (ICE), a ciclo diesel sovralimentato, accoppiato alla sala attraverso un giunto idraulico, un cambio a cinque marce e un
rapporto di riduzione al ponte con coppia conica.
Il drive train attuale del locomotore di Manovra D141 è invece costituito da un gruppo diesel
elettrico, ovvero un ICE a ciclo diesel accoppiato con un generatore elettrico, e la propulsione è affidata a quattro motori elettrici in corrente continua, ognuno dei quali va ad azionare
uno specifico asse.
Passando da un sistema tradizionale ad i sistemi di propulsione ibrida, la presenza di più
fonti energetiche destinate alla trazione crea la necessità di gestire adeguatamente i flussi di
energia tra le fonti e tra di esse e il sistema di propulsione. Difatti gli obiettivi fondamentali
sono:
• definire un’adeguata architettura e componentistica del sistema di propulsione.
• sviluppare algoritmi di gestione dei flussi di energia in modo da ottimizzare i flussi energetici secondo ottiche di minimo consumo, con evidenti ricadute sul piano ambientale.
Per il perseguimento del primo obiettivo, in modo da non sviluppare algoritmi di dimensionamento di tipo esaustivo, è più pratico e meno oneroso scegliere, come primo tentativo di di-
3
mensionamento, il grado di ibridazione (per ibridi serie) da cui dipende, tra l’altro, il bilanciamento ottimale delle due sorgenti di energia a bordo e il dimensionamento dei vari sottosistemi.
2.1 Definizione e scelta del grado di ibridazione del sistema di propulsione
Il “Grado di Ibridazione” di un sistema di trazione (Hybridization Degree) HD è dato dal rapporto tra la potenza massima del motore termico e quella massima alle ruote ed esprime
perciò in modo sintetico la percentuale della potenza di trazione al motore fornibile dal generatore primo, mentre la parte rimanente è affidata al sistema di accumulo.
HD = Pmax.termico / Ppicco azionamento
Il caso ideale dal punto di vista energetico, comunque puramente teorico, è quello che corrisponde ad un generatore che offra i consumi minori in corrispondenza ad un valore di potenza pari alla potenza media della missione ideale prescelta. In questo caso, infatti, la macchina è sempre accesa nelle sue condizioni di funzionamento ideali, e garantisce il bilancio energetico della missione con i minori consumi possibili.
Per una migliore comprensione del significato del rapporto HD, si osservi la figura 4.
Dal locomotore ad accumulatori
al convoglio diesel-elettrico
Elettrico puro
10 %
Accumulo
Grado di
ibridizz.HD
Range extender
25 %
Motore elettrico
Generatore
Reformer
o
o MCI
3
Ibrido “Full performance”
60 %
Fuel Cell
2
alternatore
Diesel-Elettri
Trasmissione co
elettrica
1
100 %
0
Potenza totale installata
Figura 4: Veicoli elettrici ed ibridi e loro grado di ibridazione HD.
Lo schema evidenzia come a ciascuna delle tipologie specifiche possibili, che vanno
dall’elettrico puro, solo batterie, al diesel-elettrico puro, solo generatore elettrico azionato da
motore termico, (rispettivamente un locomotore ad accumulatori Tecnomasio Brown Boweri
ed il convoglio ad alte prestazioni ICE 125) corrisponda un diverso peso relativo dei costituenti principali del sistema di trazione, e quindi un diverso valore del grado di ibridazione.
Ad esempio, sono stati realizzati in Canada dalla Railpower due locomotori ibridi, equipaggiati l’uno con un termico della potenza di 200 kW, rispetto ai 1500 kW dei motori di trazione,
l’altro con un termico da 90 kW su 750 kW alle ruote; in entrambi casi il grosso della potenza
necessaria alla trazione, 85-90%, è fornita dal sistema di accumulo (in questo caso pacchi
batterie); il grado di ibridazione è perciò pari a 0,10-0,15 ed ibridi di questo tipo si definiscono
“range extender”.
4
Dal grado di ibridazione del veicolo dipendono le sue prestazioni, ad esempio la velocità
massima che il veicolo è in grado di sostenere indefinitamente ed i consumi.
Per i locomotori per uso prevalentemente di manovra, con velocità media giornaliera bassa,
può bastare un valore piccolo per HD, dimensionando ad esempio il generatore in base alla
potenza media del ciclo, compresi gli ausiliari.
I locomotori ed i convogli ad alta velocità media richiedono invece una potenza disponibile
superiore al 50% della potenza massima alle ruote e pertanto hanno bisogno di un grado di
ibridazione HD alto.
Naturalmente anche la scelta del sistema di accumulo elettrico dipende dalla missione ed è
correlata quindi alla scelta del grado di ibridazione: normalmente all’aumentare del grado di
ibridazione si passa da accumuli di energia ad accumuli di potenza, aumenta cioè il rapporto
P/E ovvero il quoziente tra la potenza specifica ed energia specifica relativo ad un determinato sistema di accumulo.
Nella tabella 1 sono riportate le caratteristiche di alcune soluzioni realizzate o proposte.
Tabella 1: Caratteristiche di alcune soluzione realizzate o proposte.
Grado di
Ibridazione HD
13%
55%
72%
77%
75%
Greengoat
Progetto ALPS
Automotrice JER
Avanto Siemens
DMU AnsaldoBreda
Rapporto Potenza/Energia
Accumulo elettrico
3
20
25
83
250
Tipologia
accumulo
Batterie al piombo
Volani
Batterie al litio
Volani
Supercondensatori
Il parametro P/E permette di confrontare tra loro le diverse tecnologie dei sistemi di accumulo utilizzate per la propulsione elettrica in funzione dell’energia e della potenza specifica.
104
FW
-1
100 h
P/E=
Lithium
Power (W/kg)
103
UC
NiMH
100
P/E
=10
-1
Zebra (Na-NiCl)
h
10
Lead-acid
P
h-1
/E=1
1
1
10
Energy (Wh/kg)
100
1000
Figura 5: Caratteristiche potenze-energia specifica per differenti tecnologie dei sistemi di accumulo (FW = flywheel, UC = supercondensatori.
A tal proposito è utile, almeno per la prima scelta, l’uso del diagramma di Ragone (figura 5)
relativo ad un’ampia gamma di sistemi di accumulo. In esso sono riportati, oltre ai campi di
esistenza delle diverse tipologie di accumulo elettrico, anche le rette per cui il rapporto P/E è
costante. Le potenze di solito sono misurate per brevi scariche (tipicamente 30÷60s), mentre
le energie sono misurate per scariche molto lunghe (normalmente per le batterie di trazione,
2÷5h).
Si può osservare come nel caso di un ibrido “range extender”, per il quale il tipico P/E è
compreso tra 1 e 10, il sistema d’accumulo più vicino alle necessità del veicolo sono le accumulatori elettrochimici1, nel caso di un “power assist”, dove (P/E) è di 1÷2 ordini di grandezza superiore2, sono più adatti i supercondensatori (UC) ed i volani (FW). Nel caso, infine,
1
Con differenze tra tipo e tipo, ad esempio è evidente dal diagramma come per un ibrido (P/E ÷ 10) le batterie Ni-MH siano più
adatte di quelle sodio-cloruro di nichel), il contrario per un veicolo “pure electric” (P/E ÷ 1).
2
Per un “range extender” il requisito importante è l’autonomia in solo elettrico, quindi E, per un “power assist” è predominante la
potenza P.
5
di accumulo giornaliero con costanti di tempo dell’ordine delle decine di ore possono essere
proposti i sistemi ad idrogeno (elettrolizzatore + accumulo idrogeno + fuel cell).
Come si vede dalla figura, non sono disponibili sistemi con valori di P/E intermedi tra batterie
e supercondensatori tipici per applicazioni del tipo “Dual mode” o “Minimal Series Hybrid”.
Tuttavia è possibile combinare le caratteristiche di batterie e UC (o batterie e volani) in un sistema “misto”, ottimizzato per la particolare applicazione considerata, per il quale cioè il peso
relativo dei due sistemi dia luogo ad un accumulo avente potenza ed energia specifica tali da
soddisfare la relazione suddetta. Un tale sistema è stato proposto per la prima volta dalla Solectria all’EVS-17 nel 2000 ed è stato poi oggetto di studi ed esperienze in Italia (ENEA) ed
all’estero (Francia e Germania).
Tabella 2: Caratteristiche tecniche di accumulatori elettrochimici.
Piombo-acido
alta energia
Piombo-acido
alta potenza
Ni-MH
alta energia
Ni-MH
alta Potenza
Li-Ioni
alta energia
Li-Ioni
alta Potenza
Zebra
Ni-Cd
Energia
specifica
Wh/kg
30-35
Densità
energetica
Wh/L
120
Potenza
specifica
W/kg
80-100
Vita
Costo
$/kWh
100-150
20-25
80
200-300
2-300 cicli profondi
20.000 cicli
70
170
200-260
> 1000 cicli
1000-2000
35-50
90-120
500-1000
100.000 cicli
1000-2000
120-150
140-300
240-420
700
45-85
160-190
500-1000
800 cicli profondi
150.000 cicli
95
140
170
55
110
400
1000 cicli profondi
1500 cicli profondi
150-200
N.D.
500
600
Il rapporto potenza/energia per i due veicoli considerati nello studio sono dell’ordine di 5 h-1
nel caso dell’automotrice ALn668 (treno regionale) e 1 h-1 per il locomotore di manovra
D141.
Di conseguenza, il locomotore necessita un sistema di accumulo prevalentemente orientato
all’energia (P/E circa 1 h-1) Piombo-Acido, NiMH, Litio o anche le Zebra.
Nel caso del treno regionale invece, in aggiunta alla soluzione dell’uso di una singola tecnologia, orientate alla potenza come batterie (Piombo-Acido, NiMH o Litio con P/E circa 5-10
h-1) è anche possibile una combinazione di differenti tecnologie: unendo sistemi orientati
all’energia con quelli orientati alle alte potenze (supercondensatori – UC o flywheel - FW).
Le informazioni riportate in figura 5 devono essere completate da altre relative agli ingombri,
pesi, durata e costi.
Alcuni data tecnici e di costo per le differenti tecnologie sono riportate nella tabella 2 che
mostra chiaramente che le batterie al Piombo sono molto vantaggiose in termini di costo, ma
pagano molto l’eccessivo peso, che è un fattore molto importante per la trazione in cui gli elevati pesi implicano una maggiore forza resistente al moto (quindi maggiori consumi) e inerzia (quindi maggiori potenze per le accelerazioni).
Possono anche essere considerati gli accumulatori Na-NiCl (ZEBRA), nate essenzialmente
per i veicoli puramente elettrici e poco competitive con quelle utilizzate per veicoli ibridi HEVs
dove la potenza è un vincolo importante, ma se accoppiate con sistemi di accumulo orientati
alla potenza come UC o FW, possono avere un eccellente combinazione di energia e potenza specifica.
6
2.2 Drive-train proposti per l’applicazione in esame
La trasformazione proposta per i veicoli considerati nell’ibridazione prevede uno schema di
drive-train ibrido serie. Il sistema di generazione dell’energia elettrica è costituito da un ICE
motore termico a ciclo diesel accoppiato con un generatore elettrico sincrono a magneti permanenti per l’automotrice ALn668, mentre è un sistema a Fuel Cell alimentato da idrogeno
compresso a 35 MPa per il locomotore di Manovra D141.
traction
motor
emissions
fuel
tank
DC
AC
ICE
DC
air
Storage
Subsys
(SS)
Tractor
wheels
electric drive
Driver commands
and
other signals
Propulsion Energy Management System
H2 tank
DC
DC
FC stack
Subsystem
air
DC
a)
AC
ICE-based EG (ICEG)
+
reduction
gear
traction
motor
reduction
gear
Storage
Subsys
(SS)
Tractor
wheels
b)
AC
electric drive
FC-based EG (FCEG)
Propulsion Energy Management System
Driver commands
and
other signals
Figura 6: Schemi di propulsione considerati per l’automotrice ALn668 (a)
e il locomotore di manovre D141 (b).
Il sistema d’accumulo di processo è di tipo elettrochimico al Piombo Acido per il locomotore e
Zebra (Na-NiCL2) per l’automotrice. La scelta di quest’ultima tecnologia è motiva dall’elevata
densità d’energia (90Wh/kg), a costi più contenuti rispetto le batterie Litio-Ioni
(80÷150Wh/kg), necessaria per avere un range in puro elettrico (con ICE spento) di almeno
30 km. Il dimensionamento di massima per i due veicoli è riassunto nella tabella 3.
Tabella 3: Dimensionamento Aln668 e D141 ibridi.
Sottosistemi
Potenza massima MCI [kW]
Potenza massima Sistema Fuel Cell [kW]
Combustibile gasolio [kg] (range 1000 km)
Combustibile idrogeno [kg] (autonomia 10 ore/giorno)
Energia Sistema di Accumulo alle 5 ore [kWh]
Peso del Sistema di Accumulo [kg]
Potenza nominale azionamento [kW]
Massima potenza carichi ausiliari [kW]
ALn668
300
700
285
3400
320
40
D141
240
170
350
13500
360
15
2.3 Simulazioni
Per l’automotrice ALn668 si riportano di seguito i risultati della simulazione di una tratta reale. La missione considerata è la cosiddetta ‘‘Faentina’’, che collega Firenze a Faenza. Questa è composta di 18 tratte elementari ciascuna lunga da 3 a 10 km. I profili di velocità sono
7
Velocità [km/h]
150
600
V eicolo
Riferime nto
A ltitudine
100
300
50
0
0
0
1000
2000
3000
4000
tem po [s]
5000
6000
7000
-300
8000
Altitudine relativa [m]
riportati nella figura 7, in particolare in tratteggio blu è rappresentata la massima velocità
consentita ed in rosso la velocità del veicolo risultante dalla simulazione. Ogni sosta nelle
stazioni intermedie ha una durata di circa 1 minuto.
L’altimetria (riportata in nero nella stessa figura) è quasi compensata durante la missione, il
che permette di ottenere dati di consumo ed emissioni dotati di maggior generalità.
Figura 7: Tratta reale Firenze – Borgo S. Lorenzo - Faenza per l’automotrice ALn668.
Potenze [kW]
800
0 ,75
LE
600
0 ,65
400
0 ,55
200
0 ,45
0
0 ,35
P u0
Pg
-2 0 0
0
1000
Livello energetico SA [pu]
Nella figura 8, in alto è riportato il Livello Energetico del sistema di accumulo (LE) che alla fine della simulazione raggiunge circa il medesimo valore cha aveva all’inizio, pari a 0,75. In
basso sono riportate le potenze più significative.
Nel tratto iniziale il veicolo funziona in modalità esclusivamente elettrica in quanto questo è
esplicitamente richiesto dal pilota per l’attraversamento della città di Firenze; successivamente si attiva un algoritmo di controllo che stabilisce se nella tratta elementare successiva il
motore a combustione interna deve rimanere acceso o spento. Si osserva in figura come nella parte terminale del tracciato, prevalentemente in discesa e quindi caratterizzata da modeste richieste di potenza, tre tratte sono percorse in modalità puramente elettrica, con modeste variazioni dello LE.
0 ,25
2000
3000
4000
te m p o [s ]
5000
6000
7000
Figura 8: Risultati della simulazione della tratta reale FAENTINA per l’automotrice ALn668.
Pu0: potenza elettrica assorbita dai carichi ausiliari e dall’azionamento.
Pg: potenza elettrica generata.
Il confronto dei consumi dell’automotrice, riportato nella tabella 4, mostra un risparmio di
combustibile di almeno il 20% rispetto al veicolo attuale, ma poco sensibile rispetto la stessa
ri-motorizzata.
Tabella 4: Consumi per l’Aln668.
Consumi(*)
Attuale
Attuale rimotorizzata
Gasolio [kg/km]
0,49
0,42
Ibrida
0,39
(*) stima per difetto in quanto i consumi sono stati calcolati su mappe statiche che non tengono
conto dei transitori, che nei veicoli tradizionali sono superiori rispetto a quelli ibridi.
8
Per il locomotore di manovra, il risparmio dei consumi (valutato in termini energetici per via
della diversa tipologia del combustibile tra il veicolo convenzionale a gasolio e quello ibrido
ad idrogeno) è stimato il 5÷10%.
I grafici in figura 9a sono mostrati gli andamenti delle velocità del veicolo risultanti dalle simulazioni per un ciclo elementare ripetuto. In figura 9b è riportato l’andamento del livello energetico contenuto nel sistema d’accumulo.
15
velocità veicolo [km/h]
10
5
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
tempo [s]
(a)
0.75
SOE
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0
1000
2000
3000
4000
tempo [s]
5000
6000
7000
8000
(b)
Figura 9: Velocità veicolo (a), energia e livello energetico del sistema di accumulo (b)
per le simulazioni del locomotore di manovra D141.
Come è visibile dalla simulazioni l’accumulo tende a scaricarsi ciclo dopo ciclo, tuttavia durante le fasi di stazionamento questo viene completamente ricaricato dal sistema di generazione. Infine la figura 10 mostra l’andamento delle potenze di trazione dell’azionamento elettrico (in rosso) e la potenza di generazione del sistema basato sulle celle a combustibile (in
nero).
400
[kW]
[kWh]
Propulsion power
60
300
200
SS
Energy
FCEG power
40
100
20
0
0
-100
0
200
400
600
800
1000
time [s]
1400
Figura 10: Andamento della potenza di propulsione e la potenza generata dal sistema a Fuel
Cell durante le simulazioni del locomotore di manovra D141.
9
2.4 Analisi economica ed esempi di Layout per i drive-train proposti
Dal punto di vista economico il drive-train del D141 alimentato con idrogeno non è ad oggi
competitivo rispetto a quello convenzionale, a causa degli elevati costi del sistema Fuel Cell
(5k¼/kW per le PEM (Polymer Electrolyte Membrane) contro i 200÷300 ¼/kW per un motore
termico a ciclo diesel per trazione ferroviaria). Il drive-train elettromeccanico dell’ALe668 ha
un costo di primo impianto di circa 800k¼ nettamente superiore alla semplice rimotorizzazione (circa 110k¼). Durante la vita utile del veicolo le economie di consumo implicano una diminuzione dei costi operativi, ma i costi di manutenzione e/o sostituzione restano
comunque superiori per il veicolo ibrido, ne segue che l’ibridazione non comporta sostanziali
vantaggi economici, ma solo benefici in termini ambientali. Per questo motivo è stato effettuato un nuovo dimensionamento del drive train elettromeccanico dell’Ale668 definito ibrido
minimo tale da comportare vantaggi economici che siano rilevanti. Questa soluzione prevede, rispetto a quella presentata in precedenza, un sistema di accumulo al Piombo Acido, con
ridotta energia installata a bordo, sufficiente solo a fornire i picchi di potenza richiesti
dall’azionamento e permettere un range in puro elettrico al massimo di 10km.
Infine, per garantire la fattibilità della trasformazione è stata effettuata una analisi dei pesi ed
ingombri dei componenti da installare a bordo dei veicoli. Un layout possibile per
l’automotrice è riportato in figura 11. Ovviamente questo è da intendersi a titolo di esempio
poiché nessun calcolo strutturale è stato effettuato, tuttavia lo studio ha mostrato che gli spazi necessari per il drive train ibrido si possono facilmente ricavare dal sottocassa e
dall’imperiale senza sottrarre spazio utile per il trasporto passeggeri o bagagli.
REOSTATI
LATERALE
SOTTOCASSA
PACCO
ACCUMULAT ORI
MOTORE
ELETTRICO
GENERATORE
EL ETT RICO
CONVERTITORI
ACCUMULATORI
FILTRI
MCI
CONVERTIT ORE
GENERATORE
BOMOL E ARIA
COMP RESSA
CONVERTIT ORE
MOTORE
EL ETT RICO
SERBATOIO
COMBUSTIBILE
CONVERTIT ORE
SERVIZI AUSILIARI
Figura 11: Possibile layout dell’automotrice ALn668.
(La legenda è riferita solo a metà veicolo vista la simmetria)
Per il locomotore di manovra D141, un possibile layout è riportato in figura 12.
REOSTAT O
SISTEMA
FUEL CELL
PACCO
ACCUMULAT ORI
FILTRI
CONVERTITORE
SERVIZI AUSILIARI
SERBATOIO
COM BUSTIBIL E
CONVERTITORE
MOTORI ELETTRICI
Figura 12: Possibile Layout del locomotore di manovra D141.
10
3 Sistemi ibridi bimodali per applicazioni ferroviarie
Recentemente le ferrovie francesi (SNCF) hanno messo in servizio nuovi complessi automotori a trazione elettrica dual-mode, denominati Autorail Gran Capacité (AGC) con possibilità
di marcia sotto linee elettrificate ma anche autonoma, grazie al generatore (diesel) di energia
elettrica installato a bordo.
In un tratto di linea elettrificato, il convoglio anfibio come quello francese consente significativi recuperi di costi di gestione per il minor costo del kWh elettrico rispetto a quello termico,
ove si tenga conto del diverso rendimento delle due motorizzazioni, ed ha, inoltre, un ridotto
impatto ambientale per la minori emissioni di CO2 “dal pozzo al cerchione” della trazione elettrica rispetto alla trazione diesel.
3.1 La situazione italiana
Il caso SNCF ha stimolato l’interesse a valutare la fattibilità concreta anche nel caso italiano
di un’analoga applicazione ed a quantificarne i possibili benefici gestionali. Nel presente studio è stato fatto un ulteriore passo avanti introducendo una variante migliorativa delle prestazioni, costituita dall’aggiunta al sistema di trazione dual mode di un componente di accumulo elettrico a grande capacità (variante ibrida) con lo studio di un progetto di massima di rimotorizzazione di un complesso automotore a trazione elettrica, il Minuetto, già presente nel
parco delle ferrovie italiane, da impiegare in servizi regionali per i quali è richiesto in uno
stesso viaggio l’attraversamento di linee elettrificate e non.
La tabella 6 evidenzia che la trazione elettrica con alimentazione dalla rete risulta in ogni caso vantaggiosa in termini economici rispetto a quella diesel riportata in tabella 5, anche nella
variante “ibrida”.
Si può rilevare anche come, per il mix. di produzione italiano, il costo (ai prezzi di mercato)
del kWh al cerchione, per la trazione diesel convenzionale, sia del 60% circa maggiore rispetto a quella elettrica mentre il fattore di emissione della CO2 è più alto del 25%.
La situazione è ancora più a favore della trazione elettrica se consideriamo i prezzi
dell’energia oggi pagati da FS, in relazione alla legislazione emanata nel 1962 per la nazionalizzazione della produzione di energia elettrica che incide favorevolmente sul prezzo pagato per il kWh elettrico.
Tabella 5: Analisi economico - ambientale dei sistemi di propulsione
diesel ibrido e convenzionale.
Costo di 1 litro di gasolio [¼] *
Costo di 1 kWh da gasolio [¼]
Fattore di emissione CO2
in kg/kg gasolio
Fattore di emissione CO2
in g/kWh gasolio
SISTEMA DI PROPULSIONE
0,69
0,068
3,16
263,3
CONVENZIONALE
IBRIDO
Δ [%]
(ibrido rispetto al
convenzionale)
Consumo gasolio medio**
> 0,5
0,4
(Aln 668, sola trazione) in kg/km
Consumo al cerchione in kWh/km
1,5
1,5
(Aln 668, tratta in Fig.2)
Rendimento medio
25%
31%
+24%
di conversione on-board [%]
Costo di un kWh alle ruote [¼]
0,27
0,22
-19%
Fattore di emissione CO2
1052
848
-19%
alle ruote [g/kWh]
• * Prezzo medio 2005, comprensivo di accisa ridotta al 30%; fonte: Unione Petrolifera
• ** Da uno studio di fattibilità di Trenitalia
11
Attualmente il tasso di elettrificazione dei paesi della comunità europea è del 51,7% (per le
ferrovie italiane, invece, questo tasso è pari al 70,3%, superiore a quello di altre importanti
reti europee quali Francia e Germania), ed è evidente che numerose debbono essere le tratte miste, dove solo una parte della linea è elettrificata e dove la disponibilità di convogli anfibi
offrirebbe la possibilità di conseguire significativi vantaggi economico/ambientali.
Tabella 6: Analisi economico – ambientale del sistema di propulsione elettrica
per diverse tipologie di centrali utilizzate per la produzione dell’energia.
Costo kWh elettrico* [¼]
Rendimento di conversione/
distribuzione a 3000 V c.c.**
Rendimento medio di conversione
on-board [%]
Costo kWh alle ruote [¼]
Δ costo kWh alle ruote [%]
(rispetto al diesel convenzionale)
TIPOLOGIA DI CENTRALE
0,11
0,88
0,75
0,17
-39%
Mix
italiano
Ciclo
Combinato
Olio
combustibile
Turbogas
Ciclo aperto
Fattore di emissione CO2
519
400
700
730
in g/kWh elettrici***
Fattore di emissione CO2
786
606
1061
1106
alle ruote [g/kWh]
Δ fattore di emissione CO2
-25%
-42%
+1%
+5%
alle ruote [%]
(rispetto al diesel convenzionale)
* Prezzo medio dalla borsa E.E. relativo al mese di Luglio 2006, cui sono stati aggiunti gli oneri
per trasmissione e distribuzione, che incidono per circa 15÷20 ¼/MWh.
** Poiché il punto di consegna è ai morsetti AC delle sottostazioni elettriche, occorre considerare
in più le perdite sulla SSE (stimate al 2%) e sulla linea di contatto (stimate al 10%).
*** Elaborazione Università di Pisa su dati Autorità dell’Energia ed IEA.
Limitandosi al caso italiano, una prima analisi, estesa soltanto ad alcune linee della rete FS,
ha evidenziato la presenza di un discreto numero di treni a trazione diesel (automotrici Aln
668/663 e convogli Minuetto MD) che nei loro viaggi incontrano tratte elettrificate. Per il 27%
medio della loro estensione, queste linee potrebbero quindi essere percorse con trazione elettrica, ove si disponesse di automotrici dual mode.
Lo studio suddetto è stato poi esteso all’intera rete delle FS (orario 2005), evidenziando come la situazione esposta sia estendibile a quasi il 50% del traffico passeggeri effettuato a
trazione diesel.
Infatti, facendo riferimento solo al traffico passeggeri, su un totale di oltre 53 milioni e mezzo
di treni km /anno percorsi in trazione termica, circa 24 milioni – pari al 45% - percorrono tratte miste di cui il 30% sotto tratte elettrificate.
Tabella 7: Treni a trazione diesel sulla rete ferroviaria italiana
che percorrono anche tratte elettrificate.
Treni (106 km/anno)
Tratte
non elettrificate
Treni notturni
ed internazionali
Treni regionali
Totale treni
passeggeri
Treni merci
Treni 106
km /anno
Tratte
elettrificate totali
% sul totale del traffico
in trazione termica percorso su tratte elettrificate
0,50
0,38
0,88
43%
16,45
6,72
23,18
29%
16,96
0,65
7,10
0,44
24,06
1,09
12
30%
41%
Se si fa riferimento ai dati di produzione dell’anno 2005, e ai dati riportati in tabella 7 e considerando che i costi unitari (¼cent/trenokm) risultano dell’ordine di 33 per la trazione elettrica
e di 105 per quella diesel, si può calcolare un risparmio di circa 5 Milioni di ¼/anno per il trasporto passeggeri qualora le tratte dotate di catenaria venissero percorse a trazione elettrica
e non diesel come oggi avviene. Naturalmente questo calcolo si basa su valori medi e non
tiene conto delle caratteristiche specifiche dei mezzi, delle linee da questi percorse e dei relativi orari. Con considerazioni analoghe, si può calcolare una riduzione delle emissioni
dell’ordine del 3% annuo, corrispondente a oltre 8.000 tonnellate di CO2.
3.2 La trasformazione ipotizzata per il Minuetto
Considerando una percorrenza media di 600 km/g treno, per l’esercizio degli oltre 16.000 km
trenikm/giorno delle linee esaminate occorrerebbero circa trenta treni (18.000 treni
km/giorno), che potrebbero essere resi disponibili con la realizzazione di una trentina di Minuetto in versione bimodale, secondo lo schema di seguito illustrato, perché questi mezzi
sono ancora in corso di fornitura.
La ri-motorizzazione del complesso prevede l’installazione a bordo di uno o più motogeneratori diesel di potenza al massimo pari a quella necessaria per l’alimentazione dei motori elettrici di trazione. Rispetto a quanto fatto dalle ferrovie francesi, in questo studio è stato
considerato anche l’inserimento, nella propulsione, di un sistema di accumulo energetico che
rende ibrida la soluzione bimodale.
Comunemente per azionamenti propulsivi ibridi di tipo elettro-meccanici si intendono quei sistemi in cui la potenza necessaria per la propulsione può essere prelevata, separatamente o
congiuntamente, da un motore a combustione interna e da un sistema di accumulo elettrico.
In particolare nella soluzione proposta l’accumulo elettrico è costituito da banchi di supercondensatori, caratterizzati da un rapporto potenza/peso e da una affidabilità superiore rispetto agli accumulatori elettrochimici. L’installazione a bordo di un numero di banchi di supercondensatori sufficiente a permettere la frenata rigenerativa consentirebbe infatti una ulteriore riduzione dei consumi di circa il 10% permettendo inoltre il pieno sfruttamento delle
caratteristiche degli azionamenti di trazione.
3.3 Dimensionamento preliminare
La trasformazione di un veicolo ferroviario a propulsione elettrica convenzionale in bimodale
può essere effettuata, in linea di principio, senza stravolgere l’attuale power-train, semplicemente installando a bordo un sistema di generazione e di accumulo dell’energia elettrica. Infatti è possibile mantenere la motorizzazione elettrica originaria, purché si utilizzino convertitori che siano in grado di alimentare i motori elettrici sia da catenaria che dalle sorgenti energetiche di bordo. Uno schema di principio del sistema di propulsione ibrido-dual mode è riportato in figura 13.
Lo schema di propulsione è quello di un veicolo ibrido serie in cui è presente una sbarra a
corrente continua alla quale sono collegate le sorgenti (il sistema alimentazione da catenaria
o il sistema di generazione a bordo veicolo e il sistema di accumulo) e gli utilizzatori quali gli
azionamenti e i servizi ausiliari, quest’ultimi (non riportati nello schema di figura 13) sono costituiti da luci, strumentazione di bordo, aria condizionata, ecc...
Tabella 8: Dimensionamento preliminare del Minuetto Elettrico ibrido – Dual Mode.
SISTEMA DI PROPULSIONE
Potenza max = 2 × 500 kW
SISTEMA DI GENERAZIONE ELETTRICA
(elettrici)
Potenza max = 1600 kW per 30s
SISTEMA DI ACCUMULO ELETTRICO
800kW per 1min
MOTORI ELETTRICI
Potenza continuativa = 4 × 250 kW
Il dimensionamento di massima del sistema di propulsione del veicolo rimotorizzato ibridodual mode è stato determinato sulla base di specifiche tecniche e grazie all’ausilio di un simulatore del drive-train. Il risultato del dimensionamento è riassunto nella tabella 8.
13
3kV
LINEA
PANTOGRAFO
SISTEMA DI
ALIMENTAZIONE
da linea
DC
Vdc
Inverter
DC
DC
busbar DC
S
AC
MCI
motori di
propulsione
AC
DC
DC
SISTEMA DI GENERAZIONE
a bordo veicolo
AZIONAMENTI ELETTRICI
DC
MCI = Motore a Combustione Interna
SUPER
CONDENSATORI
SISTEMA DI ACCUMULO
Fig. 13: Schema di principio del veicolo bimodale simulato.
1 50
+ 2 1% o
1 00
+5 % o
L ine a
E le ttrif ic ata
L ine a no n
E le ttrif ic ata
L ine a
E le ttrif ic ata
-2 1 % o
+5% o
500
-5 % o
-5 % o
50
0
100 0
0
0
1 000
200 0
30 00
te m p o [s]
400 0
50 00
6 000
-5 0 0
Altitudine relativa [m]
Velocità di linea [km/h]
3.4 Simulazioni
Nella figura 13 è riportato in blu il profilo delle velocità di linea e in rosso quello altimetrico
della missione di riferimento.
Fig. 14: Tratta simulata: 30km su linea elettrificata e 78 su linea non elettrificata.
Ogni sosta nelle stazioni intermedie ha una durata di 1 minuto. L’altimetria è completamente
compensata durante la missione, il che permette di ottenere dati di consumo dotati di maggior generalità.
I risultati della simulazione sono mostrati nella figura 14. In alto in verde è riportato il Livello
Energetico LE del sistema di accumulo (espresso in per unità3), che alla fine della simulazione raggiunge il medesimo valore che aveva all’inizio (pari a 0,85), mentre in basso sono riportate le potenze dell’azionamento (in blu) e quella generata dai gruppi moto-generatori (in
rosso). Durante le prime tre tratte elementari, il veicolo è alimentato direttamente dalla linea
elettrica. In questa modalità di funzionamento sono utilizzati anche i supercondensatori in
modo da permettere il recupero, durante le frenature, di una parte dell’energia cinetica posseduta dal veicolo. La riduzione d’energia richiesta alla sottostazione elettrica è stata calcolata essere pari a 20-25% se si utilizzano i supercondensatori al 50% della loro capacità totale.
Nelle tratte successive non elettrificate, il veicolo attiva i gruppi moto-generatori per la marcia.
3
LE=0 con accumulo completamente scarico e LE=1 pienamente carico.
14
Potenze [kW]
Un algoritmo di controllo stabilisce la ripartizione dei flussi di potenza richiesti
dall’azionamento tra il sistema di generazione di bordo e il sistema di accumulo.
1 ,00
0 ,75
1 500
L ive llo E ne rg e tico
S up e rC o nd e nsa to ri
L ine a no n
e le ttrifi ca ta
0 ,50
L ine a
e le ttrifica ta
1 000
500
0
P a zio na m e nto [k W ]
P g e ne ra ta [kW ]
-5 0 0
-1 0 0 0
0
1 000
200 0
3 000
0 ,25
Livello energetico
SuperCap [pu]
L ine a
e le ttrifica ta
40 00
5000
60 00
te m po [s ]
Fig. 15: Risultati della simulazione della tratta mista per il minuetto bimodale.
Normalmente il profilo della potenza generata dai generatori segue quello della potenza richiesta dal carico in maniera filtrata, ovvero i gruppi erogano una sorta di media della potenza richiesta. L’algoritmo può inoltre disattivare uno dei due generatori qualora la potenza da
generare sia sufficientemente bassa (si vedano i tratti in discesa al centro della figura), tale
da comportare punti di funzionamento per i motori termici con bassa efficienza di conversione; in questo caso un solo generatore funziona a carichi più elevati ma con efficienza maggiore. Infine, durante le ultime tre tratte elementari, il veicolo torna a percorrere una linea elettrificata in cui è sempre utilizzato il sistema di accumulo per il risparmio energetico.
4 Uso di sistemi di propulsione ibrida per veicoli off-highway
Lo studio analizza la possibilità di utilizzare drive-train ibridi per la propulsione di veicoli industriali quali Fork-Lift e Front-End-Loader. L’ibridazione di questa tipologia di veicoli comporta
una riduzione dei consumi di combustibile, dovuta sia all’ottimizzazione delle sorgenti che al
recupero in frenatura.
Sono stati raccolti una serie di dati necessari per tali analisi, effettuando su un veicolo una
campagna di test su di un Fork-Lift opportunamente strumentato. Tale veicolo presenta una
struttura di power-train elettrica, costituita da un azionamento a motore asincrono trifase, alimentato da una sorgente limitata in potenza costituita da un motore termico a ciclo diesel
accoppiato con un generatore elettrico.
Dalle misure di tensione e corrente dell’azionamento è stato possibile ricavare i profili di coppia del motore elettrico, grazie all’utilizzo del seguente algoritmo.
Stimatore di Coppia
E’ stato considerato il modello di Park della macchina asincrona basato su un sistema di riferimento statorico, quindi la coppia elettromagnetica può essere ottenuta facilmente dalla seguente formula.
3
(Eq. I)
T (t ) = p [ψ sd (t ) i sq (t ) − ψ sq (t ) i sd (t )]
2
In cui:
p
Ȍsd
isd
Ȍsq
isq
sono le paia di poli
componente reale del vettore flusso statorico
componente reale del vettore di corrente statorica
componente immaginaria del vettore flusso statorico
componente immaginaria del vettore corrente statorica
15
Tali variabili sono stimate considerando le misure di corrente e tensione di alimentazione del
motore così come vengono fornite. Il diagramma a blocchi mostrato in figura 16 riassume l’intero algoritmo.
Rs
isd
iAs
iBs
(Eq. II)
(Eq. I)
i sq
iCs
x
vBs
x
_
vsd
vAs
(Eq. IV)
vCs
T
ψsd
+
vsq
_
ψsq
+
Fig. 16: Diagramm a blocchi dell’intero algoritmo per la stima della coppia.
Le componenti del vettore delle correnti può essere valutato attraverso le seguenti relazioni:
­
2§
1
1
·
°° i sd = Re (i s ) = 3 ¨ i As − 2 i Bs − 2 iCs ¸ = i As
©
¹
®
i
i
−
§
·
Bs
Cs
° i sq = Im (i s ) = ¨
¸
°¯
3 ¹
©
(Eq. II)
Poiché:
(
2
­
° i s = i As + α i Bs + α 2iCs
®
3
°̄i As + i Bs + iCs = 0
)
dove
α=
1
3
+ j
2
2
iAs, iBs e iCs sono i valori istantanei delle correnti statoriche.
Le componenti del vettore flusso statorico sono:
­°ψ sd = (v sd − R s isd ) dt
³
®
°̄ψ sq = ³ (v sq − R s isq )dt
(Eq. III)
dove:
­
2§
1
1
·
°° v sd = Re (v s ) = 3 ¨ v As − 2 v Bs − 2 vCs ¸
©
¹
®
v
v
−
§
·
Cs
° v sq = Im (v s ) = ¨ Bs
¸
°¯
3 ¹
©
(Eq. IV)
in cui vAs, vBs e vCs sono i valori istantanei delle tensioni statori che, mentre Rs è la resistenza
di una singola fase.
Strutture di drive-train proposte
Per l’ibridazione del Fork Lift è stato sviluppato un modello del veicolo implementato in MATlab Simulink. La figura 17 mostra il diagramma a blocchi principale.
La struttura di dirve-train preliminarmente scelta è quella ibrida serie con accumulo di tipo elettrochimico.
Lo studio mostra la possibilità di ottenere sensibili risparmi di combustile e di conseguenza
minori emissioni. In particolare due differenti dimensionamenti sono stati sviluppati. Il primo
prevede una riduzione della potenza massima di generazione di oltre il 20% rispetto al veicolo attuale convenzionale. Il sistema di generazione infatti viene normalmente chiamato a
produrre la potenza media di missione che non supera i 5-10kW, mentre le potenze di picco
16
dell’azionamento, che possono raggiungere anche 30kW, sono coperti dal sistema di accumulo installato, nei momenti di maggiore richiesta.
L’altro dimensionamento, invece, prevede che il motore termico accoppiato al generatore elettrico venga chiamato ad intervenire in modo da seguire la potenza richiesta
dall’azionamento anche durante i momenti di richiesta maggiore. Con questa gestione la potenza richiesta sistema d’accumulo è minore, quindi il dimensionamento che ne consegue è
anch’esso ridotto.
Fig. 17: Diagramma a Blocchi del simulatore sviluppato per veicoli industriali.
5 Sviluppo del simulatore per veicoli Ibridi serie con interfaccia grafica
Il simulatore è stato pensato per i progettisti di drive-train ibridi che devono dimensionare il
sistema di propulsione oppure valutare strategie per la gestione energetica. L’ambiente di
sviluppo è il MatLab-Simulink™ arricchito con una semplice interfaccia uomo-macchina.
L’approccio di simulazione utilizzato è di tipo diretto che consente di ottenere risultati più realistici. Difatti i comandi del pilota (acceleratore e freno) sono interpretati e trasformati in comandi per il sistema di propulsione e quello frenante.
Rispetto ai simulatori presenti in bibliografia, questo è in grado di simulare nella stessa piattaforma sia veicoli stradali sia quelli ferroviari. La possibilità di simulazione dei veicoli ferroviari ha richiesto, in particolare, la definizione di profili di missione espressi in termini velocità-spazio anziché velocità-tempo.
Tutti i sottosistemi sono stati modellati pesando l’accuratezza e la complessità secondo lo
scopo considerato. In particolare, data la necessità di simulare transitori che hanno costanti
di tempo dell’ordine di 100ms, i fenomeni molto più veloci, quali la dinamica della combustione dei MCI o la commutazione delle valvole nei convertitori elettronici, sono stati considerati
come fenomeni costanti ed il loro contributo al bilancio energetico del drive-train è considerato usando delle formulazioni di tipo algebrico.
E’ stata sviluppata un interfaccia grafica per permettere l’uso del simulatore anche a persone
con poca confidenza verso l’interfaccia Simulink™, che, anche se grafica, richiede una certa
esperienza per essere usata correttamente.
La figura 18 mostra le schermate principali del simulatore, attraverso le quali è possibile configurare il veicolo e visualizzare i risultati delle simulazioni, e il diagramma a blocchi dei modelli utilizzati.
Per ogni sottosistema è possibile selezionare la tecnologia (ad esempio per il sistema di generazione è possibile scegliere se utilizzare un sistema a Fuel Cell oppure un generatore basato su motore a combustione interna). Una specifica sezione offre la possibilità di settare il
ciclo di riferimento che, come già detto, può essere velocità-tempo o spazio-tempo.
Differenti configurazioni dei veicoli possono essere salvati e ricaricati in qualsiasi momento.
Per i veicoli ibridi, i risultati più significativi sono i flussi energetici, i consumi e le emissioni.
Perciò questi possono essere facilmente mostrati all’interno del programma ed esportati in
diversi formati.
17
Sistema
Trazione
[Ta]
Ta
[Pref]
Pref
[ON]
ON/OFF
Ig
Variabili Uscita
[Ta]
Ta
[Tref]
Tref
Tm,Jm
Vdc
SISTEMA
GENERAZIONE
Vdc
DC bus bar
Iaz
Vdc
wm
Tm,Jm
AZIONAMENTO
Isa
Livello
Energetico
[Ta]
Ta
SISTEMA DI
ACCUMULO
[Ta]
Tm,Jm
Ta
T,J,tau
CARICHI
AUSILAIRI
REOSTATO
wr
TRASMISSIONE
SOE
Pref
[Pref]
Tref
Tref
T,J
Wr
C,J,tau
slope
Sorgenti
Energetiche
wm
Iaux
Ir
cmd_R
[cm d_R]
SOE
Wm
Vdc
Vdc
Vdc
[Tbrake]
Tbrake
v
slope
d
Tbrake
Tbrake
speed
[cmd_R]
cmd Rheostat
command
wr
ON
[ON]
GESTORE
ENERGETICO
velocità veicolo
DINAMICA
VEICOLO
pilota
ciclo
profilo altimetrico
pendenza
Figura 18: Finestre principali e diagrammi a blocchi del simulatore per veicoli ibridi.
Per dare inoltre una panoramica dei principali flussi energetici all’interno del drive-train, il
programma calcola per ogni sottosistema i flussi netti, quelli di trazione (dalla sorgente alle
ruote) e quelli di rigenerazione (dalle ruote al sistema di accumulo) come mostrato in figura
19.
Figura 19: Flussi Energetici all’interno del drive-train calcolati dal simulatore.
6 Sviluppo di strategia di controllo per veicoli ibridi serie elettro-meccanici
Il simulatore descritto al paragrafo precedente è stato utilizzato per sviluppare una strategia
di controllo sui veicoli ibridi serie elettromeccanici.
La strategia si basa su un algoritmo che, data la potenza di riferimento che deve generare il
gruppo moto-generatore, stabilisce il punto di funzionamento del MCI (coppia,velocità) considerando sia il consumo di combustibile che le emissioni gassose. Lo schema di principio è
riportato in figura 20.
18
GENERATORE ELETTRO-MECCANICO
DC
grado
immiss.
combust.
G(s)
Azionamento
P g*
Ω-
Ottimizzazione
combustibile
Ωref
emissioni
+
ON/OFF
(info tratte)
Pg*
Sistema
Accumulo
velocità
variabile,
curva
minimo
consumo
consumo [g/kWh]
MCI
CONSUM I
EM ISSIONI
torque [Nm]
AC
sp eed [rpm]
C 1 = c1 + U
p
(c CO
/ l CO + c HC
speed [rpm]
+ NOx
/ l HC
+ NOx
+ c PM / l PM
)/ 3
OFF
(bassi carichi - consumo elevato)
Figura 20: Schema di controllo del gruppo moto-generatore per un veicolo ibrido serie.
E’ stata definita una funzione di costo che mixa il costo del combustibile e le emissioni:
C1 = c1 + U p (cCO / lCO + cHC + NOx / lHC + NOx + cPM / l PM ) / 3
dove:
• c1 è il costo per unità di energia (¼/kWh)
• lCO, lHC+NOx, lPM sono i valori massimi delle emissioni imposte dalle normative (g/kWh).
• cCO, cHC, cNOx, cPM sono le emissioni effettive (g/kWh).
• Up è il peso che esprime il valore economico da attribuire alle emissioni, e rende comparabili emissioni e consumi. Esso quantifica in termini monetari il valore delle emissioni
quando queste sono proprio pari ai limiti massimi ammessi dalla normativa.
Data la potenza da erogare il punto di funzionamento (coppia,velocità) scelto è quello che
minimizza la funzione C1. Nel caso studio si sono eseguite due simulazioni con valori differenti di Up come riportato nella tabella 9.
Tabella 9: Risultati del caso studio sull’algoritmo di controllo.
Up [¼/kWh]
0
0,5
Consumo combustibile [kg/km]
0,51
0,54
Emissioni HC+NOx [g/km]
13,4
11,2
Emissioni CO [g/km]
0,24
0,54
Si nota che variando Up da 0 a 0,5¼/kWh il motore a combustione interna opera verso punti
a consumo più elevato ma con emissioni minori. La riduzione di HC+NOx è ben evidente, tuttavia per la CO si riscontra un sostanziale aumento; questo è giustificato dal fatto che mentre
gli ossidi di azoto sono prossimi ai valori massimi ammessi dalle normative, la CO è comunque notevolmente inferiore ai limiti.
PUBBLICAZIONI
Anno 2006
Conferenze Internazionali:
IEEE Vehicle Power and Propulsion (VPP) Conference, Windsor UK, Settembre 2006
M. Ceraolo, A. di Donato: “Modeling and Simulation of Hybrid drive trains with a friendly
Man Machine Interface”.
M. Ceraolo, A. di Donato, G. Franceschi: "Energy optimization of hybrid-electric vehicles".
EVS22 - Electric Vehicle Symposium, Yokohama -Japan, 23-28 Ottobre 2006
M. Ceraolo, A. di Donato, G. Franceschi: "Experimental evaluation of energy efficiency of
batteries for hybrid-electric vehicle".
Conferenze Italiane:
101° Convegno Nazionale AEIT (Federazione Italiana di Elettrotecnica, Elettronica, Automazione, Informatica e Telecomunicazione), 16-20 Settembre 2006, Capri.
M. Ceraolo, A. di Donato, L. Sani, R. Cheli, G. Grande: "Sistemi di propulsione ibridi per
migliorare efficienza energetica e emissioni di convogli ferroviari per trasporti regionali
su linee non elettrificate".
19
Anno 2007
Riviste Internazionali:
IEEE Vehicle Power Transactions
• M. Ceraolo, A. di Donato, G. Franceschi: “A general approach to energy optimization
of hybrid-electric vehicles”
Riviste Nazionali:
Ingegneria Ferroviaria 11/2007
• R. Cheli, A. di Donato, A. Laganà, G. Pede: “L’Ibrido e l’ambiente nella trazione ferroviaria”
Conferenze Internazionali:
UIC – Third Energy Efficiency Conference, Portoroz – Slovenia, 19-21 Set 2007
• A. di Donato, G. Grande, A. Laganà, G. Pede: "Use of hybridized dual-mode drive
trains for railway traction“
EVS23 - Electric Vehicle Symposium, Anaheim – California USA, 2-5 Dic 2007:
• A. di Donato, A. Laganà, G. Pede: "Dual-Mode Hybridized Trains for the Italian railways network“
Conferenze Nazionali:
18° Seminario Interattivo ANAE – Brixen, 5-7 Marzo 2007
A. di Donato, R. Giglioli: “Utilizzo di un dispositivo SWVC con accumulo elettrochimico
nell’alimentazione di un impianto a fune"
Anno 2008
Conferenze Internazionali:
ICREPQ – International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santander
– Spain, 12-14 Mar 2008
• S. Barsali, A. di Donato, R. Giglioli, L. Guidi, E. Pasca, S. Scalari: "Storage systems
for the transition towards active and smart distribution systems“
Conferenze Nazionali:
19 Seminario Interattivo ANAE – Brixen, 3-4 Marzo 2008
• R. Cheli, A. di Donato, A. Laganà, G. Pede: “Sistemi ibridi bimodali per applicazioni in
campo ferroviario "
CORSI, SEMINARI E CONFERENZE
Corsi tecnici con esame finale:
Dinamica del Veicolo
Autronica
Corsi di Lingua Inglese:
Writing and Presenting Scientific Articles in English – A. Wallwork
Seminari e conferenze:
IEA Advanced Fuel Cells ANNEX XIX Stationary Fuel Cell, Meeting 10-11 Ottobre 2006,
ENEA –Roma
H2Expo: International Conference and Trade Fair on Hydrogen and Fuel Cell Technologies
– 25-26 Ottobre 2006, Hamburg, GERMANIA
Seminari e conferenze:
Third International Hydrail Conference, 13-14 Augosto 2007, Salisbury, NC –USA
Applicazioni e prospettive del controllo nei veicoli, 10 Maggio 2007, Politecnico di Milano
Test di Lingua Inglese:
Certificazione CLI: livello europeo B2
ATTIVITÀ DIDATTICHE
Esercitazioni del corso di Sistemi Elettrici per l’IFTS – per Tecnici avanzati per l’Automazione
Industriale
Sviluppo di un modulo didattico per corsi di formazione professionale “Aspetti specifici
dell’istallazione di impianti elettrici ed elettronici, tenendo conto della sicurezza” – progetto
TRIO finanziato dalla regione Toscana.
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