Progetto H2 Filiera Idrogeno Il contributo dell`Elettronica nel

Progetto H2 Filiera Idrogeno
Il contributo dell’Elettronica
nel Progetto Regionale
”Filiera Idrogeno”
Prof. Roberto Saletti
Dipartimento Ingegneria dell’Informazione
Università di Pisa
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Il progetto regionale “Filiera Idrogeno”
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Contributo integrato multidisciplinare di Università di
Pisa, Scuola S. Anna, aziende del territorio
Ricerca e innovazione nel ciclo completo di uso
dell’idrogeno per veicoli
–  Produzione, stoccaggio, distribuzione
–  Propulsione
•  Motori a combustione di idrogeno
•  Celle a combustibile a idrogeno per motore elettrico
–  Sensoristica, impatto ambientale e sicurezza
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L’elettronica è stimolo all’innovazione nei veicoli
L’elettronica come strumento principale per il controllo
e la gestione anche del veicolo a idrogeno
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Il contributo elettronico
Pierangelo Terreni
Luca Fanucci
Bruno Neri
Roberto Roncella
Roberto Saletti
Sergio Saponara
Tony Bacchillone
Federico Baronti
Gabriele Fantechi
Biagio Laneve
Emauele Leonardi
Esa Petri
Università di Pisa
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione:
Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni
H2 Electronic Systems
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Supporto accensione e controllo motori
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Centralina H2-ECU per
controllo motori a
combustione interna
alimentati a idrogeno
Supporto sistemi elettronici di
bordo per FC-HEV Porter
Piaggio
Ricerca innovativa su
–  I-BM2S: Intelligent
Battery Management and
Monitoring System
•  Sistema di monitoraggio
e controllo delle batterie
per accumulo di energia
•  Elemento chiave in
veicoli a Fuel-cell ibridi
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Perché batterie a bordo del veicolo?
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Nel veicolo ibrido la cella a combustibile (fuel-cell a
idrogeno) produce energia elettrica a zero emissioni
L’energia elettrica deve essere immagazzinata per
poterla usare nella propulsione elettrica
–  Solo elettrico da fuel-cell
–  Serbatoio di potenza aggiuntiva (accelerazione, in salita)
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Si recupera energia durante la frenata del veicolo
(freno elettrico) e accumularla nelle batterie di bordo
Motore
Elettrico
Fuel Cell
Batterie
Ruote
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Quali batterie?
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Le batterie con chimica al litio (nate per
notebook e telefoni cellulari) emergono come
soluzioni per l’accumulo energetico nei veicoli
Batterie agli ioni di Litio (Li-ion), al Litio e
Polimeri (LiPo), al Litio-Ferro-Fosfato (LiFePO4)
Vantaggi
–  Leggerezza, alta densità di energia (200 Wh/kg),
alte correnti di scarica
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Svantaggi
–  Costo, delicatezza (no sovraccarica, no
sottoscarica, temperatura), possibilità incendio
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Controllo elettronico delle batterie
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Per utilizzare batterie al
litio nei veicoli è
necessario un accurato
monitoraggio e controllo
Modello della cella
Sistema elettronico di
controllo per
–  Monitoraggio
–  Gestione
•  Carica
•  Scarica
•  Sicurezza
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Modello della cella
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Modello elettrico comportamentale della cella
Si considera l’effetto della temperatura
Tiene conto dell’autoriscaldamento della cella
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Corrispondenza modello-realtà fisica
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Confronto tra tensione
nel:
–  Ciclo di lavoro simulato
–  Ciclo di lavoro misurato
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Confronto tra:
–  Temperatura simulata
–  Temperatura misurata
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Ottimo accordo
Il modello predice
accuratamente il
comportamento della
cella
Progetto H2 Filiera Idrogeno
I-BM2S
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Risultato innovativo della ricerca
La batteria nel veicolo consiste di celle elementari
collegate in serie
I-BM2S = Intelligent Battery Management and
Monitoring System
–  Misura tensione e temperatura di ogni cella
–  Misura della corrente e tensione totale di batteria
–  Equalizzazione della carica delle celle (balancing)
–  Stima dello stato di carica (SoC – State of Charge)
–  Protezione della batteria
–  Comunicazione con Elettronica del veicolo
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Architettura dell’I-BM2S
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Elettronica su tre livelli gerarchici
Ridondanza (affidabilità e robustezza ai guasti)
Modulare (applicabile a batterie diverse: chimica,
numero celle, etc.)
CANbus
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Caratteristiche dell’I-BM2S
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Monitor tensione e temperatura su ogni cella
–  Basso costo (<1% del costo della cella)
–  Basso consumo (<1% dell’autoscarica della cella)
–  Memoria non volatile a bordo (memorizza ID, data di
produzione, cicli effettuati, guasti o condizioni anomale)
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Controllo di modulo con monitor ad alta precisione
–  Replica della misura di tensione sulle celle a frequenza
minore, risoluzione maggiore, ridondanza
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Equalizzazione delle celle
–  passiva (bleeding)
–  Attiva con rendimento > 70%
•  da modulo a cella
•  da cella a cella
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Connettività verso i livelli superiori con CANbus
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Architettura modulo
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Realizzazione prototipo in scala
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Prototipo dell’I-BM2S in scala (modulo di 14 celle)
–  Celle da 1.5 Ah rispetto a 31 Ah per il veicolo
–  Visibile nell’area espositiva
Singola cella
Elettronica
del modulo
Software monitor
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Lavoro in progresso
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Costruzione del I-BM2S per la batteria del veicolo
Piaggio Porter ibrido a fuel-cell a idrogeno
–  44 celle, 163 Volt, 5 kWh, 35 kW di picco
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Collaudo su strada del dimostratore finale
Monitor
di cella
Cella da 31 Ah
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Lavoro in progresso
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Costruzione del I-BM2S per la batteria del veicolo
Piaggio Porter ibrido a fuel-cell a idrogeno
–  44 celle, 163 Volt, 5 kWh, 35 kW di picco
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Collaudo su strada del dimostratore finale
Progetto H2 Filiera Idrogeno
Conclusioni
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Attività di sviluppo di elettronica di supporto al
progetto
Studio di sistema innovativo per monitoraggio e
controllo di batterie per veicoli ibridi ed elettrici di
qualunque tipo
Realizzazione di prototipo in scala ridotta
Messa in atto di collaborazioni efficaci e
multidisciplinari
Preparazione del terreno per ingegnerizzazione e
trasferimento tecnologico sul territorio
Dimostrazione di come il finanziamento pubblico
(Filiera Idrogeno) possa generare conoscenza e
ricaduta tecnologica che va oltre gli obiettivi del
progetto