Università degli Studi di Palermo
D.I.E.E.T.
Trazione elettrica veicolare: stato dell’arte ed
evoluzioni future
Convertitori elettronici di potenza per i
veicoli elettrici
Veicoli elettrici
L’aumento crescente del costo del combustibile e il problema
legato alle tematiche del riscaldamento globale hanno riportato
un forte interesse nello studio e nello sviluppo delle automobili
elettriche.
Negli ultimi anni i veicoli elettrici si sono molto diffusi grazie
soprattutto all’innovazione tecnologica delle batterie e degli altri
sistemi di accumulo e alla possibilità di usufruire di finanziamenti
statali.
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Indice degli argomenti
Veicoli elettrici vs veicoli a combustione
Veicoli elettrici puri
Veicoli elettrici ibridi
Azionamenti per veicoli elettrici
Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Accumulatori negli azionamenti elettrici
Evoluzioni nella propulsione ibrida
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Veicoli elettrici vs veicoli a combustione
Le automobili elettriche hanno molti vantaggi rispetto ai
tradizionali veicoli a combustione interna (benzina,
diesel):
riduzione dei consumi di carburante (rendimento oltre il 90%
contro il 28% dei motori a benzina e il 40% nei motori diesel),
basse emissioni inquinanti (inquinamento praticamente nullo
se riforniti con energia prodotta da fonti rinnovabili),
funzionamento silenzioso (meno vibrazioni rispetto ai motori
a combustione),
frenatura a recupero (l’energia può essere recuperata durante
la fase di frenata),
risparmio economico.
In molti casi il veicolo a propulsione elettrica non richiede la presenza di organi meccanici,
come il cambio e la frizione, per le caratteristiche di maggior elasticità dei motori elettrici
nell’erogare coppie e potenze.
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Veicoli elettrici vs veicoli a combustione
In generale gli elementi per cui si differenziano i veicoli
elettrici sono legati alla presenza dei seguenti apparati:
il motore elettrico: macchina reversibile che può lavorare
anche da generatore o come spesso capita è presente un
generatore elettrico indipendente,
i sistemi di conversione: convertitori statici di potenza che
svolgono diverse funzioni dall’alimentazione del motore
elettrico, alla ricarica delle batterie, ecc..
il sistema di accumulo
Veicoli elettrici puri
Non è presente nessun motore a combustione interna
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Veicoli elettrici puri
Architettura con due ruote motrici
e differenziale meccanico
Architettura con due o quattro ruote
motrici e differenziale elettronico
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Veicoli elettrici ibridi
VEICOLI ELETTRICI IBRIDI
utilizzano sia motori elettrici che motori a combustione
interna (ICE: Internal Combustion Engine)
veicolo ibrido serie
veicolo ibrido serie/parallelo
veicolo ibrido parallelo
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Veicoli elettrici ibridi
Veicolo ibrido serie
veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica,
finalizzata alla trazione, con la presenza di un motogeneratore
termico finalizzato alla integrazione della fonte di energia
elettrica disponibile a bordo
Veicolo ibrido parallelo
veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica
finalizzata alla trazione con la presenza a bordo di una
motorizzazione di tipo termico finalizzata sia alla trazione che
alla produzione di energia elettrica, con possibilità di
garantire il normale esercizio del veicolo sia mediante il
funzionamento contemporaneo delle due motorizzazioni
presenti che mediante il funzionamento autonomo di una sola
di queste
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Veicoli elettrici ibridi
Veicolo ibrido serie/parallelo
veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica
finalizzata alla trazione con la presenza a bordo di una
motorizzazione di tipo termico finalizzata direttamente alla
trazione, con possibilità di garantire il normale esercizio del
veicolo anche mediante il funzionamento autonomo di una
sola delle motorizzazioni esistenti (funzionamento ibrido
bimodale “ split”)
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Veicoli elettrici ibridi
Schema di principio di un veicolo ibrido serie
Series Hybrid System
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Veicoli elettrici ibridi
Series Hybrid System
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Veicoli elettrici ibridi
Schema di principio di un veicolo ibrido parallelo
Parallel Hybrid System
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Veicoli elettrici puri e ibridi
Parallel Hybrid System
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Veicoli elettrici puri e ibridi
Series/Parallel Hybrid System
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Azionamenti per veicoli elettrici
La teoria che supporta lo sviluppo dei sistemi per la trazione dei
veicoli elettrici è la teoria degli azionamenti elettrici con cui viene
classificato l’insieme combinato del:
motore elettrico,
convertitore elettronico di potenza,
sistema di controllo,
apparati di alimentazione
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Azionamenti per veicoli elettrici
Gli azionamenti elettrici possono avere strutture differenti
a seconda delle diverse tipologie di veicolo.
È possibile individuare 5 classi di veicoli per il traffico
urbano le cui caratteristiche di massima sono di seguito
riportate:
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Azionamenti per veicoli elettrici
Diversi tipi di motori elettrici utilizzati
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Azionamenti per veicoli elettrici
Valori caratteristici di diversi tipi di batterie utilizzati
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Dal punto di vista funzionale si hanno diverse tipologie di convertitori:
Convertitore AC/DC non controllato, noto come raddrizzatore,
fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza costante a partire
dalla rete alternata (di ampiezza e frequenza costante)
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Convertitore
AC/DC
controllato, noto come raddrizzatore
controllato, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza
variabile (mediante opportuno comando) a partire dalla rete alternata
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Convertitore DC/DC, noto come chopper, fornisce in uscita una
tensione continua di ampiezza variabile a partire da una sorgente in
continua a tensione costante
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Convertitore DC/AC, noto come inverter, fornisce in uscita una
tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili a partire da un
ingresso in continua di ampiezza
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Convertitore AC/AC, noto come convertitore di frequenza, fornisce
in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili dalla
rete alternata (di ampiezza e frequenza costanti)
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
convertitore + controllo
Tipico schema di un convertitore
trifase per l’alimentazione del
motore di un veicolo elettrico.
Il
convertitore
opportunamente
controllato
permette la regolazione della coppia e della
velocità del veicolo.
Tecnica di controllo del convertitore
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
La scelta del convertitore dipende da considerazioni globali sul
veicolo, azionamento, tipo di ricarica, ecc.
Solitamente il livello di tensione in uscita dal convertitore si può
porre pari a valori compresi fra 150 e 200 volt per furgoni e minibus,
e 600 volt per i bus.
La scelta del livello di tensione porta a valori tanto crescenti quanto
maggiore è la potenza, se ciò non fosse si avrebbe un aumento di
perdite nel convertitore sia per conduzione che per commutazione,
ed inoltre si avranno variazioni percentuali elevate di tensioni ai
capi della batteria in funzione dell'accelerazione e della velocità del
veicolo.
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Per quanto riguarda il controllo, tenendo conto che dovrà
essere semplice ed affidabile deve essere trovato il giusto
compromesso, rispetto al tipo di motore previsto per la
trazione.
Si passa da strutture di controllo più semplici, in uso per i
veicoli con motori d.c., a strutture più complesse, come il
controllo diretto di coppia per i motori asincroni e il
controllo vettoriale per azionamenti con motore sincrono
a magneti permanenti.
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Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici
Frenatura a recupero
La grossa potenzialità dei veicoli elettrici è la possibilità di recuperare
energia in frenata.
Tale possibilità si realizza sfruttando la natura delle macchine elettriche di
essere reversibili e di svolgere tanto la funzione di motore che di
generatore (frenatura).
In pratica la manovra di frenatura viene eseguita facendo funzionare il
motore per la trazione come generatore, recuperando così l’energia
cinetica accumulata dal veicolo.
Durante la fase di frenatura l’energia generata dalla macchina elettrica
viene opportunamente trasformata per essere riversata in quella che
normalmente è la sorgente alimentatrice (batterie, condensatori,
supercondensatori).
La presenza delle batterie in un veicolo elettrico permette di applicare
tecniche di frenatura non attuabili nei normali veicoli a combustione
interna
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Accumulatori negli azionamenti elettrici
A fronte di densità di energia elevate, l’aspetto negativo, comune
alle diverse tipologie di accumulatori, considerandone un loro
utilizzo a bordo di veicoli elettrici, è dato dall’impossibilità o, nella
migliore delle ipotesi, dalla forte limitazione degli stessi ad essere
sottoposti ad elevate variazioni d’energia in tempi molto brevi.
Le costanti di tempo dei processi elettrochimici, dei sistemi di
accumulo tradizionali dedicati alla trazione elettrica, possono
essere molto elevate per cui la fornitura di elevate potenze comporta
un sovradimensionamento degli accumulatori e quindi un loro
maggiore peso ed ingombro a bordo del veicolo.
Da queste considerazioni origina la necessità di impiegare strutture
alternative da affiancare agli accumulatori tradizionali, per
sopperire alle richieste di picco.
Particolarmente vantaggioso e l’impiego di supercondensatori
(elevata densità di potenza >1000 W/kg, numero di cicli di
carica/scarica molto elevato >200.000, limitata densità di energia).
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Evoluzioni nella propulsione ibrida
La ricerca in materia di propulsione ibrida si muove in
diverse direzioni, tra le quali è possibile identificare
alcuni ambiti principali:
l’integrazione sempre più performante della parte
endotermica con quella elettrica;
lo sbilanciamento dell’ibrido verso una soluzione pura
elettrica;
lo studio di soluzioni alternative per i motori endotermici;
lo studio di logiche che ottimizzino la gestione del flusso di
energia
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Grazie per l’attenzione
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