RAPPORTO TECNICO ATTIVITA : OR2/WP3 - Integrazione delle tecnologie a risparmio/recupero energetico

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1 UNIONE EUROPEA FONDO EUROPEO DI SVILUPPO REGIONALE. REGIONE PUGLIA AREA POLITICHE PER LO SVILUPPO IL LAVORO E L INNOVAZIONE RAPPORTO TECNICO ATTIVITA : OR2/WP3 - Integrazione delle tecnologie a risparmio/recupero energetico

2 Indice dei contenuti 1. REPORT TEST DI ACQUISIZIONE SU ASSORBIMENTO ELETTRICO A BORDO ASRV SCHEDULATORE DELLE RICARICHE BATTERIE DI ASRV ALGORITMO DI STIMA DELL AUTONOMIA DEL VEICOLO MOBILE ASRV MODIFICHE ALLO SCHEMA DI MACCHINA PER IL RECUPERO ENERGETICO 5 5. SCOUTING TECNOLOGICO SISTEMA DI ALIMENTAZIONE PER VEICOLO MOBILE ASRV... 7 Pag. 2 di 8

3 1. REPORT TEST DI ACQUISIZIONE SU ASSORBIMENTO ELETTRICO A BORDO ASRV Il documento rappresenta l ultimo aggiornamento relativo alla progettazione dell algoritmo di pianificazione della ricarica delle batterie di accumulatori a bordo dei veicoli mobili ASRV in impianto a navette bidirezionali. Il documento è un report conclusivo di attività di test delle tecnologie individuate nelle attività di Ricerca e Sviluppo relativamente al funzionamento del veicolo mobile ASRV con batterie di accumulatori con tecnologia al Pb-VRLA e con tecnologia Li-PO. Tutti i dati acquisiti, mediante sistema SMART-ON piuttosto che tramite sistema hw e sw di acquisizione a bordo veicolo sviluppato ad hoc, sono stati riportati come appaiono dopo la fase di elaborazione effettuata in ambiente LabVIEW. - Modalità di calcolo autonomia Per procedere al rilievo dell'energia elettrica che le batterie sono in grado di erogare si decide di rilevare sia la tensione di batteria che la corrente totale erogata. Questo è stato possibile dotando il veicolo di componenti e sensori atti ad acquisire i dati sul PLC dotato di opportuno programma di logging. Acquisendo ed utilizzando l intera curva di scarica delle batterie, si fissa come punto di massima scarica (DOD 100%) quello in corrispondenza del valore di tensione coincidente con l'inizio del ginocchio del profilo di scarica rilevato. Tale punto, che delimita la fine del tratto lineare del profilo di scarica, è il valore di tensione corrispondente al 100% di scarica consentito con le batterie. In corrispondenza di tale valore vengono determinati gli Ah che le batterie hanno erogato e che corrispondono alla capacità totale che la batteria possiede in relazione al particolare tipo di scarica (realizzata su ciclo medio di ASRV). Questo valore di Ah corrisponde alla massima energia elettrica che la batteria è in grado di erogare con una profondità di scarica del 100% evitando di rovinarla. Si determinerà anche la scarica delle batterie sino all'80% della capacità allo scopo di studiare e ottimizzare utilizzi della macchina che prevedano una buona durata in cicli delle batterie. La modalità di determinazione del punto di massima scarica sopra riportata è stata utilizzata sia per le batterie al Pb che per le batterie al Li-PO (i cui test sono stati condotti nella seconda campagna di verifica). Successivamente verranno proposte modalità di calcolo dell autonomia basate sui risultati emersi durante questa campagna sperimentale. Pag. 3 di 8

4 Nella prima fase di test è stato verificato l utilizzo della sola tecnologia al Pb, mentre nella seconda campagna di test sono state provate entrambe le tecnologie Pb-VRLA e Li-PO. 2. SCHEDULATORE DELLE RICARICHE BATTERIE DI ASRV Le logiche di schedulazione delle ricariche delle batterie di veicoli mobili ASRV sono critiche nelle politiche di gestione complessive dell impianto in quanto influenzano in modo anche rilevante l operatività del sistema di immagazzinamento automatico a veicoli mobili. Questo perché una errata pianificazione delle ricariche delle macchine potrebbe portare in estremo a un blocco d impianto, con tutte le macchine che contemporaneamente ricaricano le batterie a bordo. Evitare queste condizioni di blocco e massimizzare la continuità operativa (numero minimo di macchine sempre in funzione nell impianto) in alcuni casi e la capacità operativa (massimo numero di macchine contemporaneamente in funzione nell impianto) sono stati i requisiti più importanti dell algoritmo sviluppato. Nel corso dell attività di progetto sono stati testati differenti approcci al problema mediante simulatore di ASRV all interno di un magazzino virtuale. L algoritmo schedula l attività di ogni ASRV nell intero ciclo di lavoro, calcolando, per ognuno di essi, intervalli di carica e scarica. Lo pseudocodice è stato implementato in ambiente.net di Microsoft ed è stato integrato nelle logiche di gestione di ASRV all interno dell applicativo prototipale di controllo di impianto identificato come BRAIN. Sono stati effettuati i test presso l impianto presente nella sede della ICAM Srl e presso la società Tormaresca in S. Pietro Vernotico. E stato prodotto un documento in formato excel nel quale è stato trasferito il comportamento dell algoritmo di schedulazione in diversi casi di funzionamento riprodotti su impianto. Tali verifiche hanno dimostrato il corretto funzionamento dell algoritmo nelle diverse condizioni operative di riferimento. Pag. 4 di 8

5 3. ALGORITMO DI STIMA DELL AUTONOMIA DEL VEICOLO MOBILE ASRV L attività di creazione di un algoritmo di stima dell autonomia a bordo del veicolo mobile ASRV è stata commissionata in particolare per la tecnologia Pb- VRLA, che è stata scelta tra quelle disponibili sul mercato per l alimentazione del veicolo. Sono stati analizzati i documenti tecnici relativi alle batterie fornite dalla società fornitrice e sono stati ricavati i parametri da cui dipende una corretta stima dell autonomia residua della batteria. Inizialmente è stata seguita la strada dello sviluppo di un algoritmo in grado di tenere in conto le condizioni ambientali, il numero di cicli di carica/scarica della batteria e la modalità di carica/scarica. Il risultato si tale soluzione non è stato soddisfacente, per la difficoltà di ottenere dati oggettivi e comunque validi sulle batterie in uso. Oltre a ciò non è stata trovata la soluzione al problema di dover parametrizzare nel modo più semplice possibile i dati previsionali dell autonomia residua in base a valori coerenti e sperimentabili. Questo tipo di analisi avrebbe oltretutto richiesto sistemi complessi di valutazione delle condizioni ambientali, delle modalità di carica e scarica delle batterie e comunque avrebbero richiesto che la vita di ogni batteria di accumulatori fosse storicizzabile. Per queste ragioni è stato sviluppato un algoritmo che sfrutta l analisi del comportamento delle batterie in uso. E stata fatta una descrizione dell algoritmo, nelle diverse fasi di funzionamento e una esplicitazione dei parametri di taratura di tale logica di gestione dell autonomia a bordo del veicolo mobile ASRV. L algoritmo è stato implementato sul veicolo ed è stato testato il funzionamento della navetta integrata nel sistema e sono state apportate le modifiche necessarie per la validazione definitiva della soluzione. 4. MODIFICHE ALLO SCHEMA DI MACCHINA PER IL RECUPERO ENERGETICO L attività di modifica dell impianto elettrico di macchina nell ottica del risparmio e del recupero energetico ha richiesto una ridiscussione dei requisiti iniziali. La navetta è stata realizzata rispondendo a esigenze di ricarica delle batterie, di sostituzione, di alimentazione mediante sistema ausiliario alternativo. Questi requisiti sono stati utilizzati nella revisione di progettazione di macchina, aggiungendo Pag. 5 di 8

6 - la possibilità di effettuare il recupero energetico nelle fasi di funzionamento passivo, di frenatura; - la necessità di ridurre il consumo energetico globale mediante l utilizzo di componenti ad elevato rendimento energetico, quali segnalatori a led, convertitori DC/DC ad alto rendimento, motori elettrici ad alto rendimento Queste soluzioni sono state implementate sul veicolo mobile ASRV, ricavandone uno sfruttamento ottimale dell energia, senza incrementarne i costi in modo significativo. Nel documento a cui si fa riferimento in questo abstract sono state riportate alcune delle modifiche all impianto elettrico effettuate nell ottica di assicurare il funzionamento della macchina nelle diverse modalità di funzionamento su indicate, permettendo comunque il recupero energetico nella modalità di funzionamento normale (ovvero con alimentazione da batteria di accumulatori interni non in modalità di ricarica). Le modifiche apportate nel tempo sulle diverse fasi di funzionamento per assicurare la possibilità di recupero energetico nelle fasi di frenatura a bordo macchina. E stato assicurato il funzionamento dell'asrv nelle condizioni di - alimentazione ausiliaria in fase di sostituzione delle batterie - alimentazione ausiliaria in fase di recupero della macchina a seguito di guasti irreparabili alle batterie al suo interno - alimentazione esterna in fase di ricarica delle batterie di accumulatori Le restanti modifiche apportate nella progettazione della macchina hanno riguardato la scelta della linea di conversione delle tensioni a bordo macchina con un rendimento maggiore, la scelta di motori elettrici di tipo brushless, con un rendimento maggiore rispetto alla precedente soluzione e in grado di fornire una potenza maggiore. Questo incremento di potenza ha permesso di lavorare in una zona a rendimento maggiore e quindi ha contribuito ad incrementare il rendimento globale della macchina. La macchina così modificata è stata testata sia presso il piccolo impianto presente presso la sede della ICAM Srl, sia presso la sede della società Tormaresca in S. Pietro Vernotico testando le funzionalità della macchina integrata con il sistema di controllo di secondo livello, in toto sviluppato e gestito dalla società ICAM Srl. Pag. 6 di 8

7 5. SCOUTING TECNOLOGICO SISTEMA DI ALIMENTAZIONE PER VEICOLO MOBILE ASRV Questa attività è stata svolta individuando innanzitutto le tecnologie più interessanti e poi i fornitori in grado di offrire soluzioni commerciali all altezza dei requisiti di progetto. Subito è stata individuata una forte criticità nel volume a disposizione del sistema di alimentazione del veicolo e nelle attese di costo di tale sistema. Per questa ragione è stato analizzata dapprima la bontà delle soluzioni tecnologiche disponibili e tra queste sono state prese in considerazione le tecnologie Pb-VRLA, Ni-MH, Ni-Cd e Li-PO. Tra queste sono state selezionate le due più confacenti ai requisiti di progetto e quindi sono state selezionate la tecnologia Pb-VRLA e quella Li-PO. Si è deciso di passare alla fase di analisi di costo nel ciclo di vita e alla successiva di acquisto di componenti relativamente alle sole due soluzioni Pb-VRLA e Li-PO. Sono state eseguite due campagne di test relative alle due tipologie di batterie acquistate. Il risultato dell analisi è stato che la tecnologia al Pb-VRLA è quella più adeguata per l attuale fase di progetto anche se ha mostrato i seguenti due limiti: - bassa densità di energia rispetto a tecnologie più recenti - limitata possibilità di recupero energetico a causa dell elevata resistenza interna delle batterie e quindi della elevata inerzia chimica della tecnologia al Pb I vantaggi più importanti della tecnologia al Pb-VRLA, rilevati durante le campagne di test sono stati: - basso costo di acquisto - buona conoscenza della tecnologia disponibile sul mercato e quindi ampia disponibilità di fornitori La soluzione ai Polimeri di Litio, per adesso considerata una soluzione da sviluppare nel caso in cui si voglia massimizzare le prestazioni della macchina a svantaggio del costo di acquisto iniziale, ha mostrato la capacità di sfruttamento delle correnti di ricircolo nelle fasi di frenatura e una buona convenienza economica nel tempo, anche rispetto alla tecnologia Pb-VRLA. Pag. 7 di 8

8 Il documento a cui fa riferimento questo abstract riporta una analisi delle tecnologie utilizzate nella trazione di veicoli elettrici che si adattano all'applicazione dell ASRV ICAM e i dati (analizzati e commentati) dei sistemi di alimentazione a batterie e dei relativi sistemi di ricarica. In coda al documento è stato fatto un confronto conclusivo tra le due soluzioni considerate valide per una analisi di fattibilità del sistema di alimentazione. Le scelte dei componenti sono state fatte prendendo in considerazione le simulazioni realizzate in MathCad, e considerando le esigenze e possibilità della parte meccanica e di controllo. Il ciclo di lavoro utilizzato per il calcolo è il primo tra i due definiti da ICAM nel documento " ICAM_ipotesi percorsi_ciclo ideale_1.0.doc". Questo perchè risulta essere il ciclo più oneroso in termini di energia richiesta alla batteria. Pag. 8 di 8