Massimo Ceraolo
SISTEMI ELETTRICI DI BORDO
Per la L.M. in Ingegneria dei veicoli
Obiettivo
Obiettivo del Corso è fornire nozioni sugli impianti elettrici presenti a bordo dei veicoli stradali, nelle
seguenti tipologie di propulsione: convenzionale (basati su motore a combustione interna), elettrica
(alimentati da accumulatore elettrochimico), ibrida, (alimentati da più fonti energetiche), con generazione
elettrica a fuel cells.
L’insegnamento è progettato per complementare le nozioni ad ampio spettro ricevute dagli allievi
nell’insegnamento di Meccatronica ed è premessa per approfondimenti successivi sui sistemi ferroviari.
ARGOMENTI DI LEZIONE (30 h)
1 Introduzione (3h)
Modalità del trasporto persone e merci; Unità di misura delle tipologie di trasporto (1h)
Impatti energetici e ambientali delle diverse tipologie di veicoli analisi LCA-WTW (1h)
Tendenze evolutive degli ausiliari elettrici di bordo dei veicoli stradali (1h)
2 Veicoli con propulsione tradizionale (4h)
avviamento del MCI (1h)
sistema di generazione elettrica e regolazione della tensione (1.5h)
principio di funzionamento dello spinterogeno a scarica induttiva (1.5h)
3 Sistemi di accumulo elettrochimico (4h)
Dopo un breve richiamo di termodinamica e cinetica chimica (2h) , si discutono le peculiarità dei vari
sistemi di accumulo elettrochimico, con particolare attenzione dedicata agli accumulatori più usati (piombo,
litio). Problematiche relative alla ricarica e all’equalizzazione delle celle; Stima dello stato di carica e delle
prestazioni; modelli matematici. Nozioni sui supercondensatori. (2h)
La conoscenza di questi argomenti verrà utilizzata per l’analisi successiva dei veicoli a propulsione elettrica
a batteria ed ibrida.
4 Azionamenti propulsivi veicolari (3h)
Partendo dalla formazione di base dei vari sistemi propulsivi disponibili forniti dall’insegnamento di
Meccatronica, si entra in maggior dettaglio nei seguenti sistemi propulsivi, maggiormente utilizzati: azionamenti in corrente continua (1h) , in corrente alternata trifase basati su macchina asincrona (1h) e su
macchina sincrona, con particolare attenzione a quelle a magneti permanenti (1h).
La conoscenza di questi argomenti verrà utilizzata per l’analisi successiva dei veicoli a propulsione elettrica
a batteria ed ibrida.
5 Veicoli con propulsione elettrica a batteria (3h)
Tipologie realizzative dal punto di vista dell’architettura propulsiva (disposizione delle parti, scelta del tipo
di azionamento. Scelta della tipologia di batteria più adeguata; diagrammi di Ragone; accumuli ibridi.
Invecchiamento e Second life delle batterie.
6 Veicoli con propulsione ibrida e diesel-elettrica (7h)
Tassonomia e classificazioni; equazioni del PSD (3h)
Gestione energetica (2h) e esempi commerciali
Aspetti progettuali (1h)
Propulsione diesel-elettrica (1h)
7 L’uso dell’idrogeno e la propulsione a fuel cells (6h)
Vantaggi e svantaggi dell’uso dell’idrogeno come fonte energetica per la propulsione; Le celle a
combustibile: principio di funzionamento; reazioni chimiche di riferimento; curva tensione-corrente; aspetti
costruttivi e di efficienza (4h)
Il problema della produzione e dello stoccaggio dell’idrogeno (2h)
LEZIONI APPLICATIVE ED ESERCITAZIONI (3L+27E)
Obiettivo
L’obiettivo delle esercitazioni è di aggiungere concretezza agli argomenti svolti a lezione, in particolare per
quanto riguarda la propulsione elettrica ed ibrida.
Gli allievi ritroveranno nelle esercitazioni gli andamenti ottenuti con l’analisi teorica, ma con molta
maggiore dovizia di particolari: gli andamenti della teoria dovranno risultare una versione semplificata di
quelli reali, i quali sono emulabili con notevole dettaglio attraverso le simulazioni.
Per quanto riguarda in particolare i veicoli ibridi sarà possibile verificare gli effetti delle strategie di
gestione energetica analizzate a lezione.
Selezione del prodotto di simulazione di riferimento
l’esercitazione sarà basata sul software di simulazione Dymola/Modelica.
La scelta di questo prodotto discende dalle seguenti considerazioni:
l’approccio è a-causale, object-oriented che è la tipologia più adatta alla simulazione dei veicoli, in cui
occorre aggregare un notevole numero di equazioni e simulare domini diversi interagenti (elettrico,
meccanico, idraulico).
il prodotto Dymola, pur essendo di tipo commerciale ha costo molto basso rispetto ad altri sistemi
concorrenti (es. Matlab/Simulink/SimPowerSys)
il software simulato è scritto nel linguaggio OpenModelica, e può quindi essere agevolmente trasferito
su altri ambienti di simulazione, in particolare quelli di libera fruizione, quale ad esempio Open
Modelica
Introduzione al prodotto Dymola/Modelica (1L+3E)
La simulazione acasuale e il linguaggio Modelica (1L)
Confronto simulazione casuale/acausale; esempio di semplice circuito RLC, RLD (2E)
RLC con misure: RLC/RMS, RLC/PQ (1E)
Dispositivi elettronici di potenza (1L+4E)
Richiami sul raddrizzatore trifase e il’inverter PWM (1L)
Raddrizzatore: funzionamento di base. (2h)
Parti omettibili per ragioni di tempo:
- Analisi di Fourier delle grandezze (Omettibile per ragioni di tempo - 2h)
- Frazionatore abbassatore su carico resistivo, e relativo filtraggio (2h)
- Frazionatore abbassatore su macchina DC (1h)
Inverter a PWM con filtro e carico resistivo (2h)
Modellazione di accumulatori elettrochimici (3E)
Inquadramento teorico della modellazione degli accumulatori (1h)
Modello elettricamente algebrico e a dinamica del primo ordine (2h)
Azionamento propulsivo elettrico a batteria con macchina in corrente continua (3E)
Simulazione con alimentazione dell’armatura con frazionatore-abbassatore. (2h)
Simulazione dell’indebolimento di campo (1h)
Azionamento propulsivo elettrico a batteria con macchina a induzione (6E)
Avviamento macchina ad induzione a tensione e frequenza costanti (1,5h)
Avviamento macchina ad induzione a tensione e frequenza variabili, (1,5h)
Funzionamento con indebolimento di campo (1h)
Funzionamento su ciclo NEDC con valutazione dell’indebolimento di campo e varie efficienze (2h)
Simulazioni veicolo elettrico a batteria con az. asincrono (3E).
Modellazione algebrica della macchina asincrona (1h)
Simulazioni su cilo NEDC depotenziato e dimensionamento della batteria (1)
Valutazioni energetiche (1)
Veicolo basato su PSD - modellazione mappe-inerzie (1L 4E)
Scelta del modello simulativo; Uso dei connettori per segnali multipli (1L)
Illustrazione del funzionamento basico Illustrazione modello completo
Azionamento propulsivo ibrido serie (1E)
Illustrazione di modello già implementato.
MODALITA’ DI ESAME
L’esame è composto da una prova orale ed una prova prativa, le quali peseranno equamente sul voto finale.
la prova pratica verrà svolta in aula informatica e consisterà nell’elaborazione e messa a punto in funzione
del testo proposto di esercitazioni sviluppate dal docente in classe durante il corso.
