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DAVIDE BARATER
Professore Associato
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Electric Propulsion Systems/Electromechanical Energy Storage and Conversion
Advanced Automotive Engineering (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di fornire le conoscenze e le competenze necessarie all’analisi e alla valutazione dei principali sistemi di trazione ibrida e elettrica in ambito automotive e dei principali dispositivi che li compongono, compresi le macchine elettriche, i convertitori di potenza e i sistemi di accumulo e recupero dell’energia elettrica ed i relativi dispositivi di controllo e gestione, in modo da evidenziare le caratteristiche di funzionamento e di impiego.
Fornisce inoltre agli studenti gli strumenti essenziali per analizzare e comprendere gli aspetti quantitativi dei processi di modellizzazione e progettazione per poter mettere a punto e svolgere un progetto non complesso di dimensionamento di un sistema di trazione ibrido o elettrico di un veicolo e analizzarne i risultati.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo
Prerequisiti
Conoscenze relative a principi di base di funzionamento delle macchine elettriche e dei convertitori.
Programma del corso
La suddivisione dei contenuti per CFU è da intendere come puramente indicativa. Essa può infatti subire modifiche nel corso dell’insegnamento alla luce dei feedback degli studenti e delle studentesse.
Argomenti relativi a Electric Propulsion Systems
Introduzione alle principali architetture di powertrain elettrici e loro componenti
(CFU 0,5, ore 5)
Analisi monodimensionale della dinamica del veicolo, determinazione della curva caratteristica coppia velocità
Analisi del flusso energetico in un powertrain e della sua efficienza (CFU 1, ore 10)
Principio di funzionamento dei motori elettrici, principali parametri caratteristici
(CFU 1, ore 10)
Componenti del sistema di controllo degli azionamenti elettrici. Struttura delle principali architetture di controllo, controllo vettoriale di macchine a corrente alternata, modulazione vettoriale spaziale.
(CFU 1, ore 10)
Controllo ottimale delle macchine elettriche: traiettorie MTPA, FW e MTPV.
(CFU 1, ore 10)
Elementi di dimensionamento delle macchine elettriche radiali, equazione della coppia carico elettrico, carico magnetico, tipi di avvolgimento e sistemi di raffreddamento.
(CFU 1,5 ore 15)
Argomenti relativi a Electromechanical Energy Storage and Conversion
introduzione all'elettronica di potenza:
Componenti degli azionamenti elettrici, architetture dei principali tipi di convertitori DC / DC e DC / AC non isolati. (CFU 0,5, ore 5)
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) (CFU 1, ore 10)
Principio di funzionamento, circuito equivalente dei diversi sistemi di accumulo dell’energia elettrica: batterie, supercapacità, fuel cells. (CFU 2, ore 20)
Determinazione dello stato di carica, profondità di scarica, invecchiamento e stato di salute di una batteria e sistemi di gestione dello stato di carica delle batterie BMS. (CFU 0,5, Ore 5)
Introduzione alle principali architetture e tipologie di convertitori AC/DC e DC/DC isolati, anche bidirezionali, per l’interfacciamento dei sistemi di accumulo con la rete elettrica e la conversione tra i diversi livelli di tensione. (CFU 2, Ore 20)
Metodi didattici
L’insegnamento è erogato in lingua inglese e prevede lezioni frontali in presenza (teoria e calcoli) e con collegamento anche in streaming per studenti che seguono da remoto tramite piattaforma “Teams”. Le lezioni vengono svolte con l’ausilio di sistemi multimediali e prevedono esercitazioni pratiche a piccoli gruppi in cui gli studenti (2-3 per ogni PC) utilizzano software per la simulazione di sistemi di trazione ibrida e elettrica (Matlab/Simulink e PLECS), risolvono problemi e discutono i risultati fra loro e col docente.
Inoltre i docenti ricevono gli studenti su appuntamento per chiarimenti e tutoraggio personalizzato.
Il materiale didattico sarà reso disponibile al termine di ogni lezione attraverso la piattaforma “Teams”.
I modelli matematici introdotti saranno impiegati per la modellazione numerica e simulazione al calcolatore con Matlab/Simulink e PLECS.
Testi di riferimento
Reference books:
A. E. Fitzgerald , C. Jr. Kingsley , A. Kusko: "Electric machinery", McGraw-Hill Education, 2012.
A. Emadi, “Advanced Electric Drive Vehicles (Energy, Power
Electronics, and Machines)”, CRC Press; 1st edition (2014).
Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Sebastien E .Gay, and Ali Emadi: "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles Fundamentals, Theory, and Design", CRC Press.
C. Rahn, C.Y. Wang, “Battery Systems Engineering”, Wiley, 2013.
B. Scrosati, J. Garche, “Advances in Battery Technologies for Electric
Vehicles”, Woodhead Publishing, 2015
(https://www.sciencedirect.com/science/book/9781782423775).
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“;
On the TEAMS of the course (in compliance with copyright)
- The notes used by the professor during the lectures and numerical exercises
- the slides of the lessons
- The mathematical models introduced for numerical modeling and computer simulation with Matlab / Simulink and PLECS
Verifica dell'apprendimento
L'esame si svolgerà al termine dell’insegnamento secondo il calendario ufficiale degli appelli d’esame.
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.
La valutazione del progetto è espressa in trentesimi (un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode).
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. La prova avrà una durata di circa 45 minuti.
Gli indicatori di valutazione della prova sono:
- Capacità di utilizzare le conoscenze (25 %)
- Capacità di collegare le conoscenze (25 %);
- Padronanza del linguaggio tecnico (15 %);
- Capacità di discutere gli argomenti (20 %)
- Capacità di approfondire gli argomenti (15 %)
La valutazione della prova orale è espressa in trentesimi (un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode).
Per superare l’esame entrambe le prove devono risultare sufficienti (superare il valore di soglia di 18/30). Il voto finale è la media dei voti ottenuti nelle due prove, un punteggio maggiore di 30 comporta l’ottenimento del voto: 30 e lode.
Il voto verrà determinato e comunicato al termine della prova orale
Risultati attesi
Conoscenza e capacità di comprensione:
al termine del Corso, si auspica che lo/a studente/essa sia in grado di:
- Conoscere la struttura, il principio di funzionamento, e il circuito equivalente dei principali sistemi di accumulo e di recupero dell’energia elettrica in ambito automotive.;
- descrivere con nettezza e lucidità i principali componenti di un sistema di trazione ibrido o elettrico e le loro caratteristiche principali.
Conoscenza a e capacità di comprensione applicate:
per ogni tipologia di sistema ibrido o elettrico, saper riconoscere:
- i dettagli costruttivi dei motori elettrici;
- i principi di funzionamento;
- i principali schemi e algoritmi di controllo dei motori elettrici;
- le linee guida e le formule di dimensionamento del sistema di accumulo dell’energia
Autonomia di giudizio
- Analizzare e valutare gli aspetti quantitativi dei processi di modellizzazione e progettazione di un sistema di trazione ibrido o elettrico di un veicolo
- Esprimere un giudizio critico sui principali dispositivi che compongono un sistema di trazione ibrido o elettrico compresi: le macchine elettriche, i convertitori di potenza, i sistemi di accumulo e recupero dell’energia elettrica ed i relativi dispositivi di controllo e gestione, in modo da evidenziare le caratteristiche di funzionamento e di impiego.
Abilità comunicative
- Comunicare in modo chiaro le conoscenze e le capacità di comprensione acquisite.
- Utilizzare in maniera corretta e appropriata linguaggio, concetti e modelli acquisiti per discutere efficacemente delle soluzioni progettuali e dei principali soluzioni per il dimensionamento di sistemi di trazione ibridi o elettrici
Capacità di apprendere
- Applicare le conoscenze e le capacità di comprensione apprese ad altri temi relativi alla progettazione dei veicoli elettrici
- Aggiornare in autonomia le conoscenze e le capacità di comprensione relative alla progettazione e all’analisi dei veicoli elettrici.