Convertitori elettronici di potenza per i veicoli elettrici

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1 Trazione elettrica veicolare: stato dell arte ed evoluzioni future Convertitori elettronici di potenza per i veicoli elettrici

2 Veicoli elettrici L aumento crescente del costo del combustibile e il problema legato alle tematiche del riscaldamento globale hanno riportato un forte interesse nello studio e nello sviluppo delle automobili elettriche. Negli ultimi anni i veicoli elettrici si sono molto diffusi grazie soprattutto all innovazione tecnologica delle batterie e degli altri sistemi di accumulo e alla possibilità di usufruire di finanziamenti statali.

3 Indice degli argomenti Veicoli elettrici vs veicoli a combustione Veicoli elettrici puri Veicoli elettrici ibridi Azionamenti per veicoli elettrici Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Accumulatori negli azionamenti elettrici Evoluzioni nella propulsione ibrida

4 Veicoli elettrici vs veicoli a combustione Le automobili elettriche hanno molti vantaggi rispetto ai tradizionali veicoli a combustione interna (benzina, diesel): riduzione dei consumi di carburante (rendimento oltre il 90% contro il 28% dei motori a benzina e il 40% nei motori diesel), basse emissioni inquinanti (inquinamento praticamente nullo se riforniti con energia prodotta da fonti rinnovabili), funzionamento silenzioso (meno vibrazioni rispetto ai motori a combustione), frenatura a recupero (l energia può essere recuperata durante la fase di frenata), risparmio economico. In molti casi il veicolo a propulsione elettrica non richiede la presenza di organi meccanici, come il cambio e la frizione, per le caratteristiche di maggior elasticità dei motori elettrici nell erogare coppie e potenze.

5 Veicoli elettrici vs veicoli a combustione In generale gli elementi per cui si differenziano i veicoli elettrici sono legati alla presenza dei seguenti apparati: il motore elettrico: macchina reversibile che può lavorare anche da generatore o come spesso capita è presente un generatore elettrico indipendente, i sistemi di conversione: convertitori statici di potenza che svolgono diverse funzioni dall alimentazione del motore elettrico, alla ricarica delle batterie, ecc.. il sistema di accumulo

6 Veicoli elettrici puri Non è presente nessun motore a combustione interna

7 Architettura con due ruote motrici e differenziale meccanico Veicoli elettrici puri Architettura con due o quattro ruote motrici e differenziale elettronico

8 Veicoli elettrici ibridi VEICOLI ELETTRICI IBRIDI utilizzano sia motori elettrici che motori a combustione interna (ICE: Internal Combustion Engine) veicolo ibrido serie veicolo ibrido serie/parallelo veicolo ibrido parallelo

9 Veicoli elettrici ibridi Veicolo ibrido serie veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica, finalizzata alla trazione, con la presenza di un motogeneratore termico finalizzato alla integrazione della fonte di energia elettrica disponibile a bordo Veicolo ibrido parallelo veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica finalizzata alla trazione con la presenza a bordo di una motorizzazione di tipo termico finalizzata sia alla trazione che alla produzione di energia elettrica, con possibilità di garantire il normale esercizio del veicolo sia mediante il funzionamento contemporaneo delle due motorizzazioni presenti che mediante il funzionamento autonomo di una sola di queste

10 Veicoli elettrici ibridi Veicolo ibrido serie/parallelo veicoli dotati di almeno una motorizzazione elettrica finalizzata alla trazione con la presenza a bordo di una motorizzazione di tipo termico finalizzata direttamente alla trazione, con possibilità di garantire il normale esercizio del veicolo anche mediante il funzionamento autonomo di una sola delle motorizzazioni esistenti (funzionamento ibrido bimodale split )

11 Veicoli elettrici ibridi Schema di principio di un veicolo ibrido serie Series Hybrid System

12 Veicoli elettrici ibridi Series Hybrid System

13 Veicoli elettrici ibridi Schema di principio di un veicolo ibrido parallelo Parallel Hybrid System

14 Veicoli elettrici puri e ibridi Parallel Hybrid System

15 Veicoli elettrici puri e ibridi Series/Parallel Hybrid System

16 Azionamenti per veicoli elettrici La teoria che supporta lo sviluppo dei sistemi per la trazione dei veicoli elettrici è la teoria degli azionamenti elettrici con cui viene classificato l insieme combinato del: motore elettrico, convertitore elettronico di potenza, sistema di controllo, apparati di alimentazione

17 Azionamenti per veicoli elettrici Gli azionamenti elettrici possono avere strutture differenti a seconda delle diverse tipologie di veicolo. È possibile individuare 5 classi di veicoli per il traffico urbano le cui caratteristiche di massima sono di seguito riportate:

18 Azionamenti per veicoli elettrici Diversi tipi di motori elettrici utilizzati

19 Azionamenti per veicoli elettrici Valori caratteristici di diversi tipi di batterie utilizzati

20 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Dal punto di vista funzionale si hanno diverse tipologie di convertitori: Convertitore AC/DC non controllato, noto come raddrizzatore, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza costante a partire dalla rete alternata (di ampiezza e frequenza costante)

21 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Convertitore AC/DC controllato, noto come raddrizzatore controllato, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza variabile (mediante opportuno comando) a partire dalla rete alternata

22 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Convertitore DC/DC, noto come chopper, fornisce in uscita una tensione continua di ampiezza variabile a partire da una sorgente in continua a tensione costante

23 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Convertitore DC/AC, noto come inverter, fornisce in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili a partire da un ingresso in continua di ampiezza

24 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Convertitore AC/AC, noto come convertitore di frequenza, fornisce in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza variabili dalla rete alternata (di ampiezza e frequenza costanti)

25 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici convertitore + controllo Tipico schema di un convertitore trifase per l alimentazione del motore di un veicolo elettrico. Il convertitore opportunamente controllato permette la regolazione della coppia e della velocità del veicolo. Tecnica di controllo del convertitore

26 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici La scelta del convertitore dipende da considerazioni globali sul veicolo, azionamento, tipo di ricarica, ecc. Solitamente il livello di tensione in uscita dal convertitore si può porre pari a valori compresi fra 150 e 200 volt per furgoni e minibus, e 600 volt per i bus. La scelta del livello di tensione porta a valori tanto crescenti quanto maggiore è la potenza, se ciò non fosse si avrebbe un aumento di perdite nel convertitore sia per conduzione che per commutazione, ed inoltre si avranno variazioni percentuali elevate di tensioni ai capi della batteria in funzione dell'accelerazione e della velocità del veicolo.

27 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Per quanto riguarda il controllo, tenendo conto che dovrà essere semplice ed affidabile deve essere trovato il giusto compromesso, rispetto al tipo di motore previsto per la trazione. Si passa da strutture di controllo più semplici, in uso per i veicoli con motori d.c., a strutture più complesse, come il controllo diretto di coppia per i motori asincroni e il controllo vettoriale per azionamenti con motore sincrono a magneti permanenti.

28 Il convertitore negli azionamenti per veicoli elettrici Frenatura a recupero La grossa potenzialità dei veicoli elettrici è la possibilità di recuperare energia in frenata. Tale possibilità si realizza sfruttando la natura delle macchine elettriche di essere reversibili e di svolgere tanto la funzione di motore che di generatore (frenatura). In pratica la manovra di frenatura viene eseguita facendo funzionare il motore per la trazione come generatore, recuperando così l energia cinetica accumulata dal veicolo. Durante la fase di frenatura l energia generata dalla macchina elettrica viene opportunamente trasformata per essere riversata in quella che normalmente è la sorgente alimentatrice (batterie, condensatori, supercondensatori). La presenza delle batterie in un veicolo elettrico permette di applicare tecniche di frenatura non attuabili nei normali veicoli a combustione interna

29 Accumulatori negli azionamenti elettrici A fronte di densità di energia elevate, l aspetto negativo, comune alle diverse tipologie di accumulatori, considerandone un loro utilizzo a bordo di veicoli elettrici, è dato dall impossibilità o, nella migliore delle ipotesi, dalla forte limitazione degli stessi ad essere sottoposti ad elevate variazioni d energia in tempi molto brevi. Le costanti di tempo dei processi elettrochimici, dei sistemi di accumulo tradizionali dedicati alla trazione elettrica, possono essere molto elevate per cui la fornitura di elevate potenze comporta un sovradimensionamento degli accumulatori e quindi un loro maggiore peso ed ingombro a bordo del veicolo. Da queste considerazioni origina la necessità di impiegare strutture alternative da affiancare agli accumulatori tradizionali, per sopperire alle richieste di picco. Particolarmente vantaggioso e l impiego di supercondensatori (elevata densità di potenza >1000 W/kg, numero di cicli di carica/scarica molto elevato > , limitata densità di energia).

30 Evoluzioni nella propulsione ibrida La ricerca in materia di propulsione ibrida si muove in diverse direzioni, tra le quali è possibile identificare alcuni ambiti principali: l integrazione sempre più performante della parte endotermica con quella elettrica; lo sbilanciamento dell ibrido verso una soluzione pura elettrica; lo studio di soluzioni alternative per i motori endotermici; lo studio di logiche che ottimizzino la gestione del flusso di energia

31 Grazie per l attenzione