Moduli auto-gestiti Li-Ione LFP in un'applicazione "fast charge" per il trasporto pubblico locale

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Guido Salvatori
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1 Moduli auto-gestiti Li-Ione LFP in un'applicazione "fast charge" per il trasporto pubblico locale Giovanni Pede ENEA Trieste,

2 Lay-out della presentazione Lo sviluppo di moduli autogestiti Il trasporto pubblico locale La ricarica rapida ed un esempio applicativo

3 Gestione termica del modulo: essenziale per la durata

4 Gestione termica del modulo: raffreddamento attivo Il raffreddamento viene realizzato mediante tre ventole 50 x 50 x 20 mm 3 da 12 Vdc che si alimentano direttamente dal modulo (assorbimento complessivo 500 ma) e si attivano quando la temperatura registrata dai sensori posti sulle singole batterie raggiunge il valore +45 C. L assorbimento è un carico aggiuntivo minimo, ma la ventilazione attiva consente di sfruttare a pieno le buone prestazioni delle celle, che hanno un punto debole nella sensibilità all innalzamento di temperatura.

5 Gestione elettrica: BMS attivo Il bilanciamento è di tipo attivo attraverso un convertitore DC/DC che risiede sulla scheda, il quale è alimentato con la tensione di modulo e va a caricare di volta in volta la cella più scarica del gruppo, con corrente che può giungere fino a 2 A

6 Caratteristiche elettriche e fisiche dei moduli 12 V Grandezza Piccola taglia Media taglia Grande taglia Numero di celle in serie Capacità nominale [Ah] Volume [L] 8, Peso [kg] 8,3 12,3 19 Temperatura di esercizio (scarica) [ C] Temperatura di esercizio (carica) [ C] C +23 C Max corrente continuativa [A] Corrente di 60 sec [A] Max corrente di carica [A]

7 Prova vita con modulo da 60 Ah E un ciclo bilanciato in termini di amperora (rendimento coulombico unitario) e corrisponde a 5 km di marcia e 5 di ricarica rapida a 3C al capolinea

8 TPL pesante: filobus con possibilità di marcia autonoma, Roma Pro: Solaris Trolley Bus, Ni-MH battery equipped ZEV in every conditions Con: Reliability and maintenance cost, limited range without catenary

9 Impatti (globali) a confronto per la trazione termica e quella elettrica Trazione diesel Trazione elettrica Mix Ciclo Olio Turbogas a ciclo italiano combinato combustibile aperto Fattore di emissione CO2 in tco2/t* 3,16 Fattore di emissione CO2 in g/kwh** Consumo in g/km 700 Consumo in kwh/km 2,2 Fattore di emissione CO 2 alle ruote [g/km] Δ emissioni CO 2 [%], elettrico vs.diesel -48% -60% -30% -27% * Fonte: IPCC ** Elaborazione Università di Pisa su dati Autorità dell Energia ed IEA

10 Ricarica rapida mediante sostituzione del pacco Per ogni bus occorrono n.2 batterie da 585 Ah/ 72 V, di cui una è in ricarica, l altra a bordo mezzo

11 Ricarica ultra-fast, frequente e distribuita Los Angeles, Veolia Transport Progetto Watt, EDF IRISBUS Vienna, Rampini/Siemens Ginevra, TOSA, Van-Hool-ABB

12 Sistemi di ricarica rapida, 0-FiloBus: una linea di bus elettrici per Industria 2015 (1) Trolley G & A Engineering s.r.l. Ferrari BSN s.r.l. Electric Energy Storage Multiple input DC/DC converter Motor Auxiliary services 0-FILOBUS in marcia

13 Sistemi di ricarica rapida, 0-FiloBus: una linea di bus elettrici per Industria 2015 (2) Catenary Trolley G & A Engineering s.r.l. Ferrari BSN s.r.l. Electric Energy Storage Multiple input DC/DC converter Motor Auxiliary services 0-FILOBUS in frenata

14 Sistemi di ricarica rapida, 0-FiloBus: una linea di bus elettrici per Industria 2015 (3) Catenary Trolley G & A Engineering s.r.l. Ferrari BSN s.r.l. Electric Energy Storage Multiple input DC/DC converter Motor Auxiliary services 0-FILOBUS allo stop

15 Ricarica conduttiva con pantografo in c.c. 800V/500A

16 Caratteristiche dell autobus e del percorso Massa (con 1.2 t di batterie Pbacido) Velocità di marcia media Lunghezza percorso (circolare) Consumo chilometrico, al peso suddetto Energia richiesta per 5 km Potenza di ricarica max. disponibile (380 V/64 A) 6000 kg 20 km/h 5 km 700 Wh/km 3,5 kwh 43 kw Energia ricaricabile in 5 (max) 3,6 kwh

17 Caratteristiche della batteria minima Numero di stringhe a 72 V in parallelo Modulo scelto Capacità risultante della batteria 3 12 V/ 300 Ah Corrente massima di ricarica per stringa/per la batteria Corrente max. di batteria in scarica (possibile) Tensione di batteria Potenza azionamento (nominale) 1C = 100 A/300 A 3C = 900 A da 72 V a 210 V (collegamento in serie) 30 kw Potenza max. di batteria in scarica 63 kw

18 Caratteristiche della batteria reale 72 V Raddoppiare il numero di stringhe, dimezza le correnti e allunga la vita della batteria, fino a 3 volte.

19 Scheduling di marcia (1) 1. Capacità del pacco: 600 Ah (6 stringhe di moduli da, in parallelo), tensione : da 72 V a 432 V 2. Energia estraibile: 0,8 x 42 kwh = 33 kwh 3. Consumo orario: 20 km x 700 Wh/km = 14 kwh Ipotizziamo una potenza in ricarica di 43 kw (380V/64A), per batterie che accettano correnti fino a 2C, ricaricabili quindi con potenze fino a 84 kw (2 x contenuto energetico del pacco)

20 Scheduling di marcia (2) Il duty cycle all equilibrio energetico è ricavabile risolvendo: 43 kw * x/60 = (60 x) * 14 kwh/60 dove: x = durata ricarica e 60 x = tempo di marcia In 60 è possibile girare per 44-45, fermandosi a ricaricare per ; quindi, ad esempio, 3 x x 5 40 kwh in batteria vs. tempo (1 turno = 8 h)

21 Il mezzo elettrico come elemento di un sistema HEMS: home energy management system EDMS: regional energy data management systems

Conclusioni (1) L aumento del rendimento di generazione delle centrali termoelettriche, l ingresso sul mercato di fonti rinnovabili come il solare e l eolico, il miglioramento delle prestazioni dei

22 Conclusioni (1) L aumento del rendimento di generazione delle centrali termoelettriche, l ingresso sul mercato di fonti rinnovabili come il solare e l eolico, il miglioramento delle prestazioni dei nuovi sistemi di accumulo elettrico (peso ridotto e migliori rendimenti di carica/scarica) hanno ridotto di molto i consumi energetici e le emissioni gas serra dei veicoli elettrici a trazione autonoma (a batteria e ibridi plug-in) In termini energetico-ambientali, i veicoli stradali a trazione elettrica sono diventati quindi competitivi rispetto a quelli a trazione termica Perché lo diventino anche in termini economici, occorre ridurre ancora pesi e costi dell accumulo, ad esempio usando la ricarica rapida

23 Conclusioni (2) La ricarica rapida offre una soluzione a basso costo per il trasporto pubblico locale, perché riduce il peso ed il costo delle batterie La disponibilità di moduli autogestiti a 12 V consente di ridurre i costi di produzione e di gestione delle batterie, semplificandone la sostituzione. I moduli da 12V/ sviluppati in ENEA risultano una soluzione flessibile ed adeguata per mezzi di piccola e media taglia, ad un costo inferiore, a parità di disponibilità del mezzo, rispetto alle tecnologie tradizionali

24 Molte grazie per l attenzione giovanni.pede@casaccia.enea.it Centro Ricerche ENEA Casaccia Via Anguillarese km Anguillara Sabazia - Roma, Italy ENEA carried on activity in the framework of a program promoted and funded by the Italian Ministry for Industry, Ricerca di Sistema Elettrico

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