Progetto H2 Filiera Idrogeno. Il contributo dell Elettronica nel Progetto Regionale Filiera Idrogeno

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1 Progetto H2 Filiera Idrogeno Il contributo dell Elettronica nel Progetto Regionale Filiera Idrogeno Prof. Roberto Saletti Dipartimento Ingegneria dell Informazione Università di Pisa

2 Il progetto regionale Filiera Idrogeno! 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! L elettronica è stimolo all innovazione nei veicoli! L elettronica come strumento principale per il controllo e la gestione anche del veicolo a idrogeno

3 Il contributo elettronico Pierangelo Terreni Luca Fanucci Bruno Neri Roberto Roncella Roberto Saletti Sergio Saponara Università di Pisa Dipartimento di Ingegneria dell Informazione: Elettronica, Informatica, Telecomunicazioni H 2 Electronic Systems Tony Bacchillone Federico Baronti Gabriele Fantechi Biagio Laneve Emauele Leonardi Esa Petri

4 Supporto accensione e controllo motori! Centralina H 2 -ECU per controllo motori a combustione interna alimentati a idrogeno! Supporto sistemi elettronici di bordo per FC-HEV Porter Piaggio! Ricerca innovativa su I-BM 2 S: 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

5 Perché batterie a bordo del veicolo?! 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)! Si recupera energia durante la frenata del veicolo (freno elettrico) e accumularla nelle batterie di bordo Fuel Cell Motore Elettrico Ruote Batterie

6 ! 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 (LiFePO 4 )! Vantaggi Leggerezza, alta densità di energia (200 Wh/kg), alte correnti di scarica! Svantaggi Quali batterie? Costo, delicatezza (no sovraccarica, no sottoscarica, temperatura), possibilità incendio

7 Progetto H2 Filiera Idrogeno Controllo elettronico delle batterie!!! 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

8 Modello della cella! Modello elettrico comportamentale della cella! Si considera l effetto della temperatura! Tiene conto dell autoriscaldamento della cella

9 Corrispondenza modello-realtà fisica! Confronto tra tensione nel: Ciclo di lavoro simulato Ciclo di lavoro misurato! Confronto tra: Temperatura simulata Temperatura misurata! Ottimo accordo! Il modello predice accuratamente il comportamento della cella

10 I-BM 2 S! Risultato innovativo della ricerca! La batteria nel veicolo consiste di celle elementari collegate in serie! I-BM 2 S = 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

11 Architettura dell I-BM 2 S! Elettronica su tre livelli gerarchici! Ridondanza (affidabilità e robustezza ai guasti)! Modulare (applicabile a batterie diverse: chimica, numero celle, etc.) CANbus

12 Caratteristiche dell I-BM 2 S! 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)! Controllo di modulo con monitor ad alta precisione Replica della misura di tensione sulle celle a frequenza minore, risoluzione maggiore, ridondanza! Equalizzazione delle celle passiva (bleeding) Attiva con rendimento > 70% da modulo a cella da cella a cella! Connettività verso i livelli superiori con CANbus

13 Architettura modulo Progetto H 2 Filiera Idrogeno

14 Realizzazione prototipo in scala! Prototipo dell I-BM 2 S 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

15 Progetto H2 Filiera Idrogeno Lavoro in progresso! 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! Collaudo su strada del dimostratore finale Monitor di cella Cella da 31 Ah

16 Lavoro in progresso! Costruzione del I-BM 2 S per la batteria del veicolo Piaggio Porter ibrido a fuel-cell a idrogeno 44 celle, 163 Volt, 5 kwh, 35 kw di picco! Collaudo su strada del dimostratore finale

17 Conclusioni! 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