Azionamenti elettrici per i sistemi di propulsione di veicoli leggeri

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.