RICERCA ITALIANA     

Soluzioni innovative con macchine sincrone in veicoli elettrici o ibridi per il miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza energetica

Università degli Studi di Padova

Abstract

Il presente Progetto di Ricerca ha il duplice scopo di individuare le strutture di propulsione elettrica più consone per applicazioni su veicoli totalmente elettrici o ibridi nonché di sperimentare sul campo tali strutture mediante la realizzazione prototipale di alcune tipologie di azionamenti, provati al banco o su veicoli esemplari. Lo studio coinvolgerà anche aspetti di gestione energetica di bordo sia per quanto riguarda la ripartizione ottimale delle potenze in veicoli ibridi sia per quanto riguarda la gestione di una batteria multicella ad alta tensione.
La motorizzazione elettrica ormai universalmente condivisa per applicazioni ad alta efficienza nella trazione (e che trova rispondenza nelle prime applicazioni immesse sul mercato) è quella che fa uso di un motore sincrono e in tal senso è orientato il Progetto di Ricerca e sono maggiori le competenze dei proponenti. Si prenderanno in considerazione sia motori a magneti permanenti che a campo avvolto. I primi, se dotati di una struttura rotorica adeguatamente progettata con magneti interni, uniscono l'alta efficienza e l'elevato rapporto coppia/volume tipico dei motori brushless alla possibilità di deflussaggio per il funzionamento in un ampio campo a potenza costante, con velocità al di sopra di quella base. Essi sono quindi particolarmente adatti per veicoli elettrici o ibridi leggeri e veloci. I secondi consentono di rafforzare il flusso oltre il valore nominale con il piccolo onere del circuito di eccitazione e possono generare quindi elevate coppie allo spunto senza la necessità di elevate correnti statoriche. Essi saranno presi in considerazione per veicoli elettrici pesanti specialmente se la normativa impedisce l'uso di batterie ad alta tensione. In entrambi i casi il dimensionamento, e quindi il costo, del convertitore elettronico di armatura traggono vantaggio dal controllo di flusso che si può attuare sulla macchina.
Le attività di ricerca delle quattro Unità sono fortemente interagenti, come illustrato in seguito, e numerosi sono i momenti di collaborazione e di scambio non solo di opinioni e consulenze, ma anche di componenti. Ciononostante ogni Unità focalizzerà il suo prodotto finale su una diversa applicazione.
L'Unità di Padova rivolgerà i suoi lavori al sistema elettrico di generazione e propulsione di veicoli ibridi a 2 o più ruote di potenza motociclistica. Sarà sviluppato un sistema motore-generatore sincrono a magneti permanenti interni nonché il relativo azionamento per una verifica delle prestazioni al banco (senza o con motore endotermico) e quindi, con l'auspicabile supporto di un partner industriale, anche su veicolo.
L'Unità di Bologna si dedicherà ai sistemi di propulsione con sincrono a campo avvolto per veicoli industriali pesanti tipo carrelli elevatori o stacker. Oltre al motore, a sei terminali, sarà sviluppato il convertitore del tipo dual-two-level e il relativo controllo dell'azionamento per una completa verifica delle prestazioni al banco.
L'Unità di Torino esemplificherà i suoi studi sui veicoli elettrici o ibridi sviluppando uno scooter elettrico per uso cittadino includendo nel lavoro si al sviluppo di un motore sincrono a magneti permanenti interni di alta efficienza che un innovativo convertitore per la gestione della batteria multicella e per la gestione della tensione dell'azionamento.
Infine l'Unità di Parma, si dedicherà allo sviluppo dell'elettronica di potenza di un veicolo ibrido con motore sincrono a magneti permanenti interni e allo sviluppo di un sistema di comunicazione fra le varie unità del veicolo tramite un bus di campo e di un'entità di controllo evoluta che deciderà di volta in volta l'utilizzo ottimale dei due sistemi di propulsione.

Meeting di coordinamento e un workshop finale assicureranno il necessario collegamento durante i lavori e il trasferimento dei risultati al mondo industriale. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Silverio Bolognani Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il Progetto di Ricerca proposto si inserisce nella tematica di grande attualità dei veicoli su gomma con propulsione elettrica o ibrida. L'interesse verso tali soluzioni innovative di trazione deriva dall'obiettivo di soddisfare diverse specifiche a seconda della tipologia del veicolo e del campo d'impiego:
a) Veicoli a ridotta percorrenza giornaliera - per essi risulta adeguata una trazione totalmente elettrica a vantaggio della silenziosità del veicolo, della totale assenza di emissioni (veicoli ad emissione zero), dei ridotti costi per i consumi energetici.
b) Veicoli ad ampia percorrenza giornaliera - è in questo caso più adeguata una propulsione di tipo ibrido, che combina un sistema con motore a combustione interna con un motore-generatore elettrico, ad autonomia perfino maggiore di quella di un veicolo convenzionale. Ne risulta un veicolo con ridotti consumi, buone prestazioni dinamiche, con possibilità di funzionamento puramente elettrico per brevi tratte.
E' ormai consolidata la convinzione che per le applicazioni sopra citate la macchina elettrica più appropriata sia qualla sincrona con rotori a magneti permanenti interni o, in qualche caso, con rotore a campo avvolto.
In tale contesto, il Progetto di Ricerca si prefigge i seguenti obiettivi:
1) Definizione di criteri e metodi per l'esame delle diverse soluzioni di trazione elettrica in base al veicolo cui sono destinate e alle prestazioni richieste, in riferimento anche al rapporto di "ibridazione" cioè al rapporto fra la potenza elettrica di propulsione e la potenza di propulsione totalemente installata.
2) Definizione dei criteri per la scelta della soluzione ottimale e delle specifiche dei suoi componenti costitutivi (motore, batteria, elettronica di potenza...).
3) Specificazione di alcune applicazioni esemplari con riferimento alle quali condurre lo studio, il progetto e la sperimentazione della struttura elettrica di trazione più adeguata.
4) Definizione di criteri e procedure di progettazione dei principali componenti elettromeccanici ed elettronici e dei sistemi di controllo, gestione e monitoraggio di bordo.
5) Misure e sperimentazione su componenti e veicoli con il supporto, ove necessario o proficuo, di partner industriali.
6) Disseminazione dei risultati in contesti scientifici ed industriali per la discussione e la conferma della loro validità e per il trasferimento su prodotti da offrire al mercato. A questo scopo si prevede la pubblicazione di un report finale e l'organizzazione di un workshop in un ambito industriale. <<<

Risultati parziali attesi

La ricerca proposta in questo Contratto di Ricerca intende contribuire allo crescita di un settore dalle forti potenzialità, anche economiche ed italiane, e dai connotati di particolare interesse ambientale.L’analisi dello stato dell’arte ed i numerosi contatti con le aziende del settore e del relativo indotto hanno evidenziato infatti un sicuro fervore, al quale pare però non corrispondere una adeguata presenza di prodotti e prototipi. Uno dei fattori che si reputa frenanti è legato alla vasta disponibilità di singoli elementi, quali motori e convertitori, senza che però vi sia ancora chiarezza sulle caratteristiche che reciprocamente devono avere per giungere alla migliore soluzione integrata. A tali aspetti verrà data la massima considerazione nel programma di ricerca, che vedrà intersecarsi e confrontarsi competenze progettuali sia delle macchine elettriche, sia dell’elettronica ad esse connessa.

Nel dettaglio delle singole Unità si riferisce quanto segue.

PADOVA- Lo studio di fattibiltà di veicoli ibridi motociclistici costituisce un primo risultato di interesse della ricerca. Da esso appariranno i criteri per la scelta della struttura più consona per lo scopo, che si prevede sia quella parallelo.
La progettazione e sperimentazione del motore-generatore integrato con le specifiche di compattezza ed efficienza imposte dal veicolo su cui viene montato constiuisce un secondo risultato pregevole. Infine la messa a punto di un efficace controllo evoluto che sfrutti al meglio le potenzialità del motore e le caratteristiche delle sorgenti di potenza a bordo veicolo completano il quadro dei risultati di valore, tutti trasferibili in applicazioni industriali.





BOLOGNA - L'analisi comparativa tra motori sincroni con magneti permanenti interni IPM-SM e con rotore avvolto WR-SM fornirà indicazioni circa la capacità di sovraccarico e la capacità di erogazione di coppia a velocità elevata. Oltre a questo termine di confronto, l’analisi fornirà una valutazione comparativa delle due tipologie di macchina con riferimento anche a peso, ingombro e costo dei due motori. La definizione stessa dei criteri di confronto più opportuni sarà anch'essa oggetto di valutazione.

L’attività di sviluppo vero e proprio dell’azionamento, si pone come risultato principale quello di giungere alla realizzazione di un azionamento di trazione basato sulla macchina WRSM completo in ogni sua parte. In particolare saranno raggiunti i seguenti risultati intermedi principali:
- Identificazione delle caratteristiche progettuali della struttura elettromagnetica della macchina WRSM
- Identificazione della tecnica ottimale di controllo del motore.
- Identificazione delle prestazioni limite del motore sincrono WR-SM, alimentato nelle condizioni ottimali e sottoposto
ai limiti di tensione, di corrente e termici.
- Identificazione della tecnica di modulazione ottimale del convertitore dual-two level
- Messa a punto di un azionamento completo in ogni sua parte in grado di essere alimentato da batteria

Nel complesso, una positiva verifica delle prestazioni dell’azionamento prototipale realizzato costituirà la premessa per la realizzazione di azionamenti elettrici in corrente alternata per veicoli industriali di nuova concezione. Questi nuovi azionamenti, basati su macchina sincrona di tipo WRSM e su convertitore multilivello di tipo ‘dual two-level’ consentiranno di realizzare sistemi di trazione per veicoli elettrici industriali di potenze superiori a quelle possibili attualmente.
Questa possibilità potrà soddisfare la richiesta degli operatori del settore volta a sostituire le attuali motorizzazioni termiche dei veicoli industriali più pesanti con sistemi di trazione elettrici.



TORINO - Dalla ricerca ci si attende un generale avanzamento rispetto allo stato dell’arte. La scelta di soluzioni basate su motorizzazioni di tipo sincrono e l’affinamento delle relative tecniche di alimentazione e controllo costituisce di per se un passo avanti rispetto ad uno stato dell’arte che presenta ancora diversi elementi di incertezza. La notevole attenzione dedicata alla sperimentazione garantisce inoltre che le soluzioni messe a punto posseggano quell’elevato grado di trasferibilità che ne favorisce la successiva applicazione industriale. La prevista sperimentazione su veicoli favorisce anche una più efficace diffusione dei risultati al di là del ristretto ambito degli addetti ai lavori, per sensibilizzare un più vasto pubblico alle potenzialità di impiego dei veicoli suddetti.


PARMA - Lo scopo della ricerca proposta consiste nello sviluppo e nell’ottimizzazione di un veicolo per il trasporto personale dedicato alla mobilità urbana evoluta.
Si ritiene che l’uso di una macchina sincrona di tipo IPM in sostituzione dei motori brushless a magneti superficiali risolva i problemi legati alla mancanza di un campo di funzionamento a potenza costante portando miglioramenti significativi nel dimensionamento della trazione elettrica. Minor peso, migliore sfruttamento dell’energia a bordo, possibilità di estendere il campo di velocità di intervento della macchina elettrica sia nella fase di trazione sia in quella di recupero dell’energia sono tutti elementi in grado di dare una notevole spinta a questo tipo di veicolo.
Le potenzialità applicative sono enormi. Manca attualmente un veicolo dedicato alla mobilità urbana in grado di trasportare uno o due passeggeri e magari un minimo di carico con una agilità almeno paragonabile a quella di un grosso scooter, senza problemi di autonomia e con la sicurezza che deriva dall’avere un vero e proprio abitacolo che libera anche dall’obbligo del casco. Tutto ciò ovviamente con un livello di emissioni addirittura favorevole, almeno per quanto riguarda le emissioni di CO, CO2 e NO decisamente inferiori anche ai mezzi alimentati a gas. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'incremento dei mezzi di trasporto o di movimentazione di persone o merci basati su motori a combustione interna (ICE) ha creato due principali problemi la cui soluzione è da ritenersi cruciale: l'aumento della domanda di petrolio (= crisi energetica) e l’impatto ambientale (= emissioni dannose e riscaldamento globale).
Per far fronte a queste due emergenze, l'impiego di veicoli elettrici e ibridi sembra una via obbligata, anche se la diffusione di tali veicoli è al momento ancora lontana da quello che potrebbe essere lo scenario dei prossimi anni. Dove l’esigenza di autonomia è rilevante, vengono impiegati veicoli ibridi, mentre il campo di impiego di quelli elettrici è limitato ai casi per i quali la richiesta di autonomia è ragionevolmente limitata. Appartengono al primo caso i veicoli automobilistici e motociclistici (questi ultimi ancora rari) per uso anche extraurbano. Essi abbinano, con differenti configurazioni, un motore a combustione interna con un motore elettrico con il risultato di una autonomia sostanzialmente illimitata.
Un tipico esempio della seconda categoria è invece il veicolo elettrico a 2 o 3 ruote per impiego urbano o periurbano. Appartengono a questa seconda categoria anche i veicoli utilizzati in contesti particolari, come ad esempio il car-sharing con stazioni di ricarica distribuite, o le flotte di servizio in zone chiuse al traffico, o i veicoli che operano in ambiti commerciali o industriali come i carrelli elevatori dei grandi scali merce.

Focalizzando ora l’attenzione sugli azionamenti elettrici di trazione, che sono implicati in tutte le soluzioni sopra citate, non si può dire che esista al momento una struttura di azionamento standard, anche se tendono a prevalere le soluzioni con motorizzazioni di tipo sincrono, per ragioni di efficienza e di densità di coppia. Il motore a induzione, spesso ancora adottato per semplicità, presenta infatti rendimenti bassi e scarsa sovraccaricabilità per via delle perdite rotoriche.

Quando si esclude l’impiego di un cambio (meccanico) di velocità, è richiesto al motore elettrico un campo di regolazione a potenza costante abbastanza ampio (1:3, 1:4), cosa che porta, nel campo dei motori sincroni, verso l’adozione di motori a magneti interni (IPM), opportunamente dimensionati. Questa scelta è stata fatta da Toyota per le vetture ibride Prius e Lexus ed è con ogni probabilità destinata a diventare uno standard. Non si può peraltro escludere, per applicazioni particolari, l’uso di motori sincroni a campo avvolto, specialmente laddove si voglia intervenire con una energico, ma poco oneroso, aumento del flusso della macchina per produrre elevate coppie senza eccessive correnti di statore.

Per quel che riguarda l’apparato elettronico di conversione, esso si compone di un invertitore lato motore e sempre più spesso di convertitori DC-DC aggiuntivi, per l’interfacciamento ottimale con le batterie e, in generale, con gli apparati di accumulo energetico. Detti convertitori DC-DC consentono di rendere svincolate le tensioni di batteria da quelle di ingresso agli invertitori di trazione a vantaggio di un ottimale scelta e dimensionamento dei vari componenti.

L’apparato di accumulo (tipicamente costituito da batterie) è ancora quello che condiziona maggiormente le prestazioni del veicolo elettrico, anche se ci sono stati e ci sono continui progressi in questo campo. Il successo dei primi veicoli ibridi commerciali ha spostato infatti l’attenzione su batterie ad alta potenza specifica, a scapito della densità di energia. Nonostante ciò, le più recenti batterie Litio-Polimeri mostrano densità di energia di tutto rispetto , che continuano a migliorare, sia pur lentamente.
La diffusione di veicoli con celle a combustibile non è invece dietro l’angolo, per tutta una serie di ragioni, non ultima la necessità di un’agevole disponibilità dell’idrogeno come combustibile primario.

Le opportunità di ricerca nel settore degli azionamenti per trazione sono quindi molte e stimolanti.

Esse riguardano tutti i componenti l’azionamento, vale a dire il motore come l’apparato di conversione e di interfacciamento con il sistema di accumulo, nonché la gestione ottimale del sistema di accumulo stesso e del flusso di energia a bordo veicolo.
Si citano, in particolare:

1. Il motore IPM deve essere progettato per ogni specifica applicazione, tenendo conto del grado di sovraccarico e dell’estensione della regione a potenza costante. La sua struttura deve inoltre minimizzare le perdite addizionali nel ferro, che rischiano di compromettere, ad alta velocità, l’elevata efficienza tipica di questo motore. Nel caso di veicoli ibridi esso svolge solitamente anche la funzione di generatore per la ricarica delle batterie, ogniqualvolta lo sviluppo della potenza di trazione possa essere tutto demandato al motore a combustione interna. Una struttura integrata, in presa diretta con il motore endotermico è la soluzione ottimale cui si tende. Nel caso dei motori sincroni a campo avvolto la criticità del progetto, anche se la macchina è di per se convenzionale, deriva dalla peculiare esigenza di volere consistenti aumenti del flusso induttore a bassa velocità senza appesantire eccessivamente il circuito di campo o il circuito magnetico del motore.
Non esistono, al momento, standard progettuali di riferimento per le macchine destinate a queste applicazioni.

2. Il controllo dell'azionamento di trazione ha ancora tematiche aperte come quelle relative ad un efficiente ed ottimale controllo di coppia senza l'uso di sensori elettromeccanici sul rotore (azionamenti sensorless) e quelle relative al controllo e funzionamento ad alta velocità nella regione a potenza costante (flux weakening).

3. L’apparato di conversione DC-DC deve consentire l’interfacciamento delle varie sorgenti di energia presenti (batterie, fuel-cells , supercondensatori), per ottenere un impiego ottimale di ciascuna, limitando nel contempo il costo della struttura. Le strutture possibili sono molteplici e manca tuttora una realistica analisi comparativa.

4. Il circuito di gestione batterie non deve limitarsi al monitoraggio ma riequilibrare effettivamente i vari elementi in carica come durante la frenata rigenerativa. Un circuito che realizzi efficacemente il suddetto obiettivo deve essere ancora individuato.

5. Un altro problema è la gestione dell’energia a bordo ai fini di ottimizzare l’efficienza e ridurre le emissioni e i consumi, specialmente per i veicoli ibridi. Per questi sussiste anche necessità di formulare il criterio per miscelare i due tipi di propulsione per ottenere guidabilità, prestazioni e sicurezza, requisiti ritenuti essenziali dagli utenti di un moderno veicolo

Le soluzioni ai citati obiettivi caratterizzeranno, nel futuro prossimo, gli azionamenti destinati a diventare uno standard per il settore, e in tale contesto il Progetto di Ricerca proposto vuole dare i suoi contributi. <<<