Azionamenti elettrici per i sistemi di propulsione di veicoli leggeri

The research activity was focused on the study of electric propulsion systems of light transport. Particular attention was paid to novel sources and electric drives employed in light vehicles used for transport of people and/or stuff. From an applicative point of view it was given concrete form to the possibility to experiment solutions which will be gradually developed on a small boat for people transport. It is a choice justified by greater and greater interest aroused by small boats to be used inside sea oasis or particular environments very sensible to pollution produced by traditional combustion engine propulsion systems as well to their high level of acoustic noise. The work started with the study of the energy generation and storage system suited for propulsion motor supply and able to guarantee an appropriate autonomy. Among the different kinds of available sources fuel cell has aroused a special interest. In the field of light transport, PEM (Proton Exchange Membrane) or DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) cells resulted to be more suitable, mainly for their efficiency and low operational temperature. Between the two, PEM cells were finally chosen, also because they are available in the Department of Mechanical Engineering of the University of Trieste, with which it has been established a cooperation relationship for the development of a propulsion system for small boats. By now a 1.2kW 5V PEM cell is available. According to its features fuel cell needs a suitable storage system. Solutions with storage batteries were examined. Analysis of the kind of batteries to be employed highlight the superiority, in the field land propulsion, of lithium batteries for their high specific energy. However in this work traditional lead acid batteries used for combustion engine start were chosen, because they are particularly suited also for the role of secondary energy source and moreover they are very diffused in the market and inexpensive. The activity continued with a comparative analysis of the kind of motors which presumably could be used in this field. The comparison was carried out based on the performances, strengths and weaknesses taking into account also, as comparison element, the kind of converter supplying each motor. Induction motors, permanent magnet AC and DC brushless motors and the switched reluctance synchronous motors. Among all, for their performance features in relation to the application, brushless motors resulted to be the most suitable. They can be AC or DC depending on the rating and the specific means of transport in which the electric drive will be installed. The study was focused on the latter. In particular a control system for a brushless DC motor was experimentally implemented by a microcontroller. The performances of solutions with and without current control in different speed and load conditions were experimentally analyzed. Owing to arisen difficulties in the realization of the mechanical part of the propeller to be installed on board the boat it was decided to chose a propeller present in the market. The market research involved different kind of propellers: thrusters, outboards with DC or induction motor and solutions with brushless motor. The most promising product for application purposes but also open to innovative solutions was found to be an electric outboard motor provided by Electric Motorsports. The outboard is constituted by a 2kW permanent magnet synchronous motor endowed with power converter and control system and to be supplied with a 48V DC source. An activity complementary to the main one arose from the observation that in the studied boats there is a single propulsion system (excluding the human muscle power). Therefore it is evident the need to ensure as far as possible propulsion operation also in the case of a system fault. For this purpose it was considered also the possibility to provide the propulsion system with fault tolerant ability. In this area fault tolerant techniques for power converters were investigated. The requirement was established that such techniques do not involve an excessive increasing of complexity and therefore cost, owing to their economic impact on the whole system. It had already to be determined the most convenient circuit layout to connect the power sources to the propeller. Starting from solutions provided for land transport (more diffused than the marine ones) the choice was guided by considerations of simplicity, economy and market spread of the components. Two schemes were analyzed in detail, both including a fuel cell and an energy storage system which, by one or more DC-DC power converters, supply a DC-link from which the propulsion motor gets power by its converter. The first one contemplate the connection of both the fuel cell and the storage system to the DC-link by a single DC-DC converter, which then has two input and one output. It is the most complete and most expensive typology, it has the advantage to help the control of energy flow between the sources and the user and moreover it ensure a practically constant input voltage for the propeller. The second scheme, similar to the first one, still includes a single power converter to adapt the power supply from the fuel cell, but the storage system is directly connected to the DC-link. In this case the value of the DC-link voltage depends from the battery charge and fluctuates with it. Management of energy flows is performed by control of the motor and the DC-DC converter of the fuel cell. The DC-DC converter of the second layout has been designed and built with the help of a company in the electronics industry located at Area Science Park in Trieste. It is planned to complete the experimental work with the building of the entire propulsion system and the sea trials as soon as a suited boat will be available.

L’attività di ricerca si è incentrata sullo studio dei sistemi di propulsione elettrici di mezzi di trasporto leggeri. Particolare attenzione è stata posta sulle sorgenti e sugli azionamenti elettrici innovativi utilizzati nei veicoli leggeri adibiti al trasporto di persone e/o cose. In un’ottica applicativa si è concretizzata la possibilità di sperimentare le soluzioni che verranno via via elaborate su una piccola imbarcazione adibita al trasporto di persone. E’ una scelta giustificata dal sempre maggiore interesse suscitato dalle piccole imbarcazioni destinate ad essere utilizzate all’interno di oasi marine o di ambienti particolari molto sensibili all’inquinamento prodotto dai tradizionali sistemi di propulsione con motore endotermico nonché al loro elevato livello di rumorosità acustica. Il lavoro è iniziato con lo studio del sistema di generazione ed accumulo dell’energia adatto all’alimentazione del motore di propulsione e capace di garantire una adeguata autonomia. Tra le varie tipologie di sorgenti disponibili la cella a combustibile ha suscitato un particolare interesse anche applicativo. Nell’ambito dei mezzi di trasporto leggeri sono risultate più idonee le celle di tipo PEM (Proton Exchange Membrane) o DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), principalmente per la loro bassa temperatura di esercizio e per la loro efficienza. Tra le due la scelta è infine caduta sulle celle di tipo PEM anche perché queste sono disponibili presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Trieste con il quale si è instaurato un rapporto di collaborazione per lo sviluppo di un sistema di propulsione per piccole imbarcazioni. Al momento si dispone di una cella PEM da 1,2kW a 25V. Per le sue caratteristiche, la cella a combustibile necessita di un idoneo sistema di accumulo. Si sono considerate soluzioni con batterie di accumulatori. L’analisi del tipo di batterie da utilizzare ha messo in evidenza la superiorità, nell’ambito della propulsione terrestre, delle batterie al litio, per la loro elevata energia specifica. Nell’ambito di questo lavoro si è invece optato per le tradizionali batterie al piombo utilizzate per l’avviamento dei motori endotermici, particolarmente adatte anche per il ruolo di fonte energetica secondaria ed inoltre commercialmente molto diffuse ed economiche. L’attività è proseguita con un’analisi comparativa dei tipi di motori presumibilmente utilizzabili in questo ambito. Il confronto è stato condotto in base alle prestazioni, ai pregi ed ai difetti considerando anche, come elemento di confronto, il tipo di convertitore che alimenta ciascun motore. Si sono presi in esame i motori asincroni, i motori sincroni brushless a magneti permanenti sia di tipo sinusoidale che trapezoidale e i motori sincroni a riluttanza commutata. Tra tutti, maggiormente idonei per le loro peculiarità prestazionali in rapporto all’applicazione, sono risultati i motori brushless: di tipo sinusoidale o trapezoidale a seconda della taglia e dello specifico mezzo di trasporto in cui viene installato l’azionamento. Su questi ultimi è stato focalizzato lo studio. In particolare è stato realizzato sperimentalmente un controllo con microcontrollore di un motore brushless di tipo trapezoidale. Sono state analizzate, sempre sperimentalmente, le prestazioni di soluzioni con e senza controllo di corrente in varie condizioni operative di velocità e carico. A causa di sopraggiunte difficoltà nella realizzazione della parte meccanica del propulsore da installare sull’imbarcazione è stato deciso di optare per una soluzione commerciale del propulsore. La ricerca di mercato ha coinvolto vari tipi di propulsori: thruster, fuoribordo con motori in cc o asincroni e soluzioni con motore brushless. Il prodotto maggiormente promettente ai fini applicativi immediati ma aperto a soluzioni innovative è risultato un fuoribordo elettrico fornito da Electric Motorsports il quale è costituito da un motore brushless a magneti permanenti sinusoidale avente una potenza di 2kW provvisto di convertitore e controllo ed alimentato a 48V in continua. Un’attività complementare a quella principale è sorta dalla constatazione che nelle imbarcazioni allo studio il sistema di propulsione è unico (se si esclude la forza muscolare umana) ed è quindi evidente la necessità di garantire per quanto possibile la presenza della propulsione anche in caso di qualche guasto al sistema stesso. A questo scopo è stata anche considerata l’opportunità di dotare il sistema di propulsione della capacità di tollerare i guasti. In questo ambito è stato approfondito lo studio di tecniche di tolleranza ai guasti per i convertitori le quali non comportino eccessivo aumento della complessità e quindi del costo a motivo del loro impatto economico sull’intero sistema. Rimaneva da determinare lo schema circuitale più conveniente per collegare le fonti di energia al propulsore. Partendo da soluzioni previste per l’ambito veicolistico terrestre (maggiormente diffuse rispetto a quelle per l’ambito navale) la scelta è stata guidata da considerazioni di semplicità, economicità e diffusione commerciale dei componenti. Sono stati analizzati in dettaglio due schemi, entrambi comprendenti una cella a combustibile e un sistema di accumulo che attraverso uno o più convertitori dc-dc alimentano un BUS a c.c. (DC-link) dal quale il motore di propulsione preleva l’energia attraverso il suo convertitore. Il primo prevede di collegare sia la cella a combustibile sia il sistema di accumulo al DC-link attraverso un unico convertitore dc-dc il quale ha quindi due ingressi e una uscita. È la tipologia più completa e più costosa, ha il vantaggio di facilitare il controllo dei flussi di energia tra le fonti e l’utilizzatore ed inoltre garantisce una tensione, ai capi del propulsore, praticamente costante. Il secondo, simile al primo, comprende ancora un unico convertitore per adattare l’alimentazione proveniente dalla cella a combustibile ma in questo caso il sistema di accumulo è collegato direttamente al DC-link. In questo caso il valore della tensione sul DC-link dipende dalla carica della batteria stessa e con essa fluttua. La gestione dei flussi di energia viene fatta attraverso il controllo del motore e del convertitore dc-dc della cella a combustibile. Il convertitore dc-dc della seconda configurazione è stato progettato e costruito con l’ausilio di una ditta del settore operante presso l’Area di Ricerca di Trieste. Si prevede di completare l’attività sperimentale con l’allestimento dell’intero sistema di propulsione e le prove in mare appena disponibile una adeguata imbarcazione.