PROGETTO E SPERIMENTAZIONE DI UN CONVERTITORE PER L IMPIEGO DI SUPERCONDENSATORI NELLA TRAZIONE DEL BUS ELETTRICO GULLIVER

Transcript

1 PROGETTO E SPERIMENTAZIONE DI UN CONVERTITORE PER L IMPIEGO DI SUPERCONDENSATORI NELLA TRAZIONE DEL BUS ELETTRICO GULLIVER F. Flamini Attualmente il veicolo elettrico GULLIVER è impiegato dall ATAC per prestare un servizio di trasporto pubblico le cui linee si snodano principalmente nel centro storico di Roma (linee 116, 117, 119). Il Bus è equipaggiato con degli accumulatori al Pb acido da 72V nominali e 585Ah che, attraverso un chopper a Mosfet, alimentano un motore in corrente continua con circuito di eccitazione serie. Si è visto come, essendo l azionamento di trazione direttamente collegato alle batterie (BU), queste assorbano in pieni tutti quelli che sono gli spike di corrente, sia in erogazione che in assorbimento (frenatura rigenerativa), dipendentemente dalle richieste di corrente da parte del motore; questo, a lungo andare, si traduce in un accumulo di stress eccessivo per gli accumulatori, che vedono la loro durata, sia in termini di vita che in termini di stato di carica, fortemente compromessa e ridotta. La soluzione proposta in questo studio, prevede l inserimento di una nuova sorgente, a questo punto di potenza, che sia in grado di soddisfare/assorbire tutti quelli che sono i picchi di corrente, evitando che gli stessi danneggino gli accumulatori stessi: la scelta ricade sui Supercondensatori (UC). Il Bus Elettrico Gulliver Le fasi principale di tale lavoro sono state le seguenti: Analisi della situazione allo stato attuale (rilevamenti) Valutazione della possibilità di affiancare dei UC agli accumulatori tradizionali Scelta della configurazione più opportuna tra quelle prese in esame Progettazione di un convertitore adatto a tale configurazione Progettazione e Sintonizzazione del controllo del convertitore Realizzazione di un modello in MATLAB della configurazione proposta Validazione del modello attraverso sperimentazione

2 Una volta acquisiti gli andamenti della corrente e della tensione di batteria su un ciclo preso come campione, è stata scelta la configurazione più adatta per il sistema; questa prevede l inserimento di un nuovo convertitore DC/DC che, opportunamente controllato, gestisce i flussi di potenza dalle sorgenti all azionamento di trazione e viceversa. Lo schema di collegamento è illustrato nella figura seguente. Schema di collegamento: connessione in cascata di un boost e un buck con gli accumulatori posti a monte di tutto (fonte di energia) e i supercondensatori stadio intermedio di potenza ad alta tensione; il chopper di trazione rimane invariato Dopo aver dimensionato i UC è stato progettato e dimensionato il convertitore in tutti i suoi componenti in funzione delle condizioni di lavoro (correnti alte e tensioni relativamente basse). E stato effettuato il dimensionamento degli induttori (con nucleo in Metglas per ridurre le perdite) e i condensatori di ingresso e uscita; per ciò che riguarda gli switch sono stati scelti dei Mosfet; poi, impiegando uno degli strumenti del Matlab (Sisotool) è stato progettato e sintonizzato il controllo per il convertitore. Dopo di che è stato realizzato un modello dinamico con l ausilio del Simulink (Matlab) che rispecchiasse fedelmente la configurazione del sistema scelta; sono state infine condotte dieci simulazioni per testare il comportamento del modello sul ciclo campione. Modello in Simulink del sistema

3 Per far si che le simulazioni avvenissero in tempi accettabili la tradizionale cella switching è stata sostituita con un modello di switch medio, che pone l attenzione solo sul valor medio delle grandezze di interesse (corrente e tensione) nel periodo di switching. Per quanto riguarda il controllo, si è deciso di controllare gli accumulatori, e quindi il convertitore boost in corrente con un singolo anello di controllo (si è voluto limitare la corrente nel suo gradiente e nel suo valore massimo); il regolatore scelto è un semplice integrale e il filtro è un Butterworth del II ordine che garantisce una sufficiente attenuazione dei ripple di corrente. Il convertitore dei supercondensatori, buck, è stato controllato in tensione con un doppio anello di controllo di corrente, interno, e tensione, esterno; anche in questo caso il filtro è un Butterworth del II ordine, mentre il regolatore scelto è un proporzionale-integrale. Diagrammi di Bode per l anello di controllo del boost: GM=28,4dB, PM=64,2deg, freq=73,4hz Diagrammi di Bode per gli anelli di controllo del buck; a sinistra l anello esterno di tensione: GM=29,5dB, PM=131deg, freq=39,8hz; a destra l anello interno di corrente: GM=35,1dB, PM=88,7deg, freq=69,8hz

4 Le dieci simulazioni hanno generato i risultati sperati: le due sorgenti BU e UC intervengono contemporaneamente e, mentre Bu eroga con un gradiente fissato a 150A/s e con un valore massimo limitato a 400A, UC fanno il saldo della quota parte mancante. Particolare degli andamenti di corrente (sopra) e tensioni corrispondenti (sotto) durante una simulazione: la traccia blu indica la corrente richiesta dall azionamento di trazione, la traccia rossa indica la corrente erogata da BU (limitata) e la traccia verde indica la corrente erogata da UC; i colori hanno la stessa corrispondenza anche per le tensioni. Il dimensionamento del sistema è risultato essere corretto per tutta la durata delle simulazioni. Infine è stato realizzato un modello sperimentale in laboratorio per validare quanto dimostrato con le simulazioni. La fase sperimentale ha previsto l adattamento di un convertitore già esistente in laboratorio, nonché la sintonizzazione di un nuovo controllo per il convertitore stesso. Le prove sperimentali hanno messo in luce una pressoché perfetta corrispondenza tra il comportamento del modello dinamico e quello sperimentale.

5 Andamento delle correnti durante la chiusura del carico: confronto tra sperimentazione (sinistra) e simulazione (destra); ad una richiesta improvvisa di corrente di carico (verde) BU rispondono con un gradiente fissato (rosso) mentre UC fanno il saldo (arancione) Andamento delle tensioni durante la chiusura del carico: confronto tra sperimentazione (sinistra) e simulazione (destra); ad una richiesta improvvisa di corrente di carico (arancione) BU rispondono con un gradiente fissato (rosso); andamento della tensione di uscita (azzurro) e della tensione di UC (verde) Concludendo si può dire che con il presente studio è stato possibile realizzare un sistema in grado di condizionare la dinamica di una delle due sorgenti, gli accumulatori, limitandone il gradiente di erogazione e il valore massimo di corrente; l altra sorgente, a dinamica libera, i supercondensatori, si preoccupa di fare il saldo dell energia mancante, assorbendo così tutti quelli che sono i picchi di richiesta che, come premesso, sono estremamente dannose per gli accumulatori: il tutto si traduce in un aumento della vita delle batterie, in un miglioramento dello stato di carica delle stesse (che è funzione di come viene richiesta loro energia), di un risparmio energetico dovuto alla mancata erogazione dei picchi di corrente, a fronte di un erogazione maggiore dovuta alla presenza del convertitore (sensibile al rendimento) e dei supercondensatori (le batterie si fanno carico di ripristinare lo stato di carica di UC).