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Claudio BIANCHINI
Ricercatore t.d. art. 24 c. 3 lett. B
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Electric Propulsion Systems/Electromechanical Energy Storage and Conversion
Advanced Automotive Engineering (Offerta formativa 2020)
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze di base sul principio di funzionamento e la modellizzazione dei principali sistemi di accumulo dell’energia in ambito automotive.
Vengono esaminati i sistemi di accumulo e recupero dell’ energia elettrica basati su principio elettromeccanico ed i relativi dispositivi di controllo e gestione, in modo da evidenziare le caratteristiche di funzionamento e di impiego.
Di seguito sono riportati gli obiettivi di apprendimento, in riferimento ai descrittori di Dublino.
Conoscenza e capacità di comprensione delle seguenti tematiche:
1. Teoria generale della conversione elettromeccanica dell’energia.
2. Struttura, principio di funzionamento, circuito equivalente dei seguenti sistemi di accumulo e di recupero dell’energia elettrica:
2.1 batterie;
2.2 supercapacità;
2.3 fuel cells;
2.4 sistemi basati su conversione elettromeccanica.
3. Conoscenza dei concetti di stato di carica, stato di salute e fenomeni di invecchiamento dei sistemi a batteria.
4. Conoscenza e capacità di comprensione di base relative all'analisi e al progetto dei circuiti elettronici di potenza per la conversione statica dell'energia e il controllo dei sistemi di accumulo:
4.1 Struttura e principio di funzionamento delle principali tipologie di BMSs.
4.2 Struttura e principio di funzionamento delle principali tipologie di convertitori DC/DC isolati.
4.3 Struttura e principio di funzionamento delle principali tipologie di convertitori AC/DC per l’interfacciamento del sistema di ricarica con la rete elettrica.
Prerequisiti
ElectricDrives/ElectricPropulsion Systems
Programma del corso
introduzione all'elettronica di potenza:
Componenti degli azionamenti elettrici, architetture dei principali tipi di convertitori DC / DC e DC / AC e convertitori bidirezionali.
Componenti principali delle catene di controllo degli azionamenti elettrici. Implementazione del controllo: regolatori standard e controllori predittivi.
Principali trasduttori elettrici e meccanici impiegati negli azionamenti elettrici: trasduttori di corrente e tensione; trasduttori di posizione, velocità e coppia.
Controllo vettoriale di macchine a corrente alternata, modulazione vettoriale spaziale. Controllo ottimale delle macchine elettriche: traiettorie MTPV e MTPA.
Introduzione ai veicoli elettrici e ibridi, insieme alle principali architetture di trasmissione: ibrido (HEV), ibrido plug-in (PHEV) e veicoli elettrici (EV).
Applicazioni di propulsione elettrica in veicoli elettrici e ibridi: criteri di dimensionamento per attuatori di trazione elettrici (attuatore e convertitore).
Introduzione ai principali componenti per la gestione dell’energia nei veicoli elettrici e ibridi.
Criteri di dimensionamento dei componenti di un sistema di accumulo per drivetrain elettrico (batterie e convertitore) (ore 4)
Principio di funzionamento, circuito equivalente dei diversi sistemi di accumulo dell’energia elettrica: batterie, supercapacità, fuel cells. (ore 16)
Determinazione dello stato di carica, profondità di scarica, invecchiamento e stato di salute di una batteria. (Ore 6)
Sistemi di gestione dello stato di carica delle batterie BMS (ore 6)
Principio di funzionamento, circuito equivalente dei diversi sistemi meccanici per il recupero attivo e l’accumulo dell’energia elettrica (ore 4)
Introduzione alle principali architetture e tipologie di convertitori AC/DC isolati, anche bidirezionali per l’interfacciamento dei sistemi di accumulo con la rete elettrica.
Metodi didattici
L’insegnamento prevede lezioni frontali teoriche realizzate con l’ausilio di sistemi multimediali.
Il materiale didattico sarà reso disponibile al termine di ogni lezione attraverso la piattaforma “Dolly” (http://dolly.ingmo.unimore.it).
I modelli matematici introdotti saranno impiegati per la modellazione numerica e simulazione al calcolatore con Matlab/Simulink e PLECS.
Testi di riferimento
A. E. Fitzgerald , C. Jr. Kingsley , A. Kusko: "Electric machinery", McGraw-Hill Education, 2012.
C. Rahn, C.Y. Wang, “Battery Systems Engineering”, Wiley, 2013.
Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Stefano Longo, Kambiz Ebrahimi, "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles" CRC Press
B. Scrosati, J. Garche, “Advances in Battery Technologies for Electric
Vehicles”, Woodhead Publishing, 2015
(https://www.sciencedirect.com/science/book/9781782423775).
J. Warner, “The Handbook of Lithium-Ion Battery Pack Design:
Chemistry, Components, Types and Terminology”, Elsevier, 2015.
A. Emadi, “Advanced Electric Drive Vehicles (Energy, Power
Electronics, and Machines)”, CRC Press; 1st edition (2014).
M. Yoshio, R. Brodd, “Lithium-Ion Batteries: Science and Technologies”,
Springer, 2010.
T. Reddy, “Linden’s Handbook of Batteries”, 4th Ed., McGraw-Hill, 2010.
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: “Power Electronics:
Converters, Applications and Design”, John Wiley & Sons Inc;
Davide Andrea: “ Battery Management systems for large Lithium-Ion Battery Packs”;
Gregory L. Plett: “Battery Management Systems, Volume I: Battery Modeling”;
Gregory L. Plett: “Battery Management Systems, Volume II: Equivalent-Circuit Methods”;
Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez: “Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems”;
N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: “Power Electronics: Converters, Applications and Design”, John Wiley & Sons Inc;
D. Grahame Holmes, Thomas A. Lipo: “Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice“;
Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E .Gay, and Ali Emadi: "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles Fundamentals, Theory, and Design", CRC Press.
Verifica dell'apprendimento
L’esame prevede un progetto applicativo e una prova orale.
1: Progetto applicativo con la stesura di una relazione riguardante una delle seguenti tematiche:
a) la simulazione e progettazione di un veicolo elettrico/ibrido comprendente il sistema di accumulo.
b) la progettazione di un circuito elettrico per il controllo motore.
Dovrà essere redatta una relazione sull'attività svolta, comprensiva dei risultati simulativi e/o sperimentali.
2: una prova orale finalizzata a verificare la conoscenza dei contenuti del corso. La prova orale consiste nella discussione dell'attività di progetto svolta e di 2 domande riguardanti gli argomenti del corso.
Per superare l’esame entrambe le prove devono risultare sufficienti. Il voto finale dell’esame è determinato nel modo seguente: 50% dalla valutazione della prova pratica e 50% dalla valutazione della prova orale.
Risultati attesi
Conoscenza della Teoria generale della conversione elettromeccanica dell’energia.
Conoscenza della Struttura, del principio di funzionamento, e del circuito equivalente dei principali sistemi di accumulo e di recupero dell’energia elettrica in ambito automotive.
Conoscenza della struttura, dei componenti e del principio di funzionamento delle principali topologie di convertitori DC/DC isolati, AC/DC e BMS.
Capacità di applicare in maniera critica le conoscenze acquisite alle problematiche di dimensionamento, modellazione e simulazione di un sistema di accumulo dell’energia in ambito automotive.