Energy, storage system, control, management and optimization in the hybrids and electrics road vehicles

Il lavoro è focalizzato in problematiche quali: sistemi di controllo e gestione dell’energia in veicoli elettrici ed ibridi (Hybrids and Electrics Vehicle: HEV) e/o alimentati a fule cells (FCEV), con particolare attenzione al sistema di accumulo dell’energia ed alla sua gestione. In dettaglio, l’attività di ricerca è incentrata su: la progettazione e l’ottimizzazione model based del sistema di trazione (Powertrain), la modellazione e la caratterizzazione delle batterie a litio, e tematiche del sistema di gestione delle batterie (Battery Management System: BMS). Al fine di supportare ed ottimizzare la progettazione di un powertrain di un veicolo, sono stati sviluppati e validati i modelli dei principali componenti presenti nei veicoli, ottenendo un tool di simulazione Simulink in grado di ottimizzare il powertrain già dalle prime fasi di progettazione. I modelli sviluppati risultano essere completamente parametrizzati e scalabili, quindi adattabili alle varie gamme e tecnologie di compienti ad oggi utilizzati in un veicolo. Il tool di simulazione oltre a fornire dei risultati molto vicini a quelli realmente ottenuti in situazioni reali, consente di effettuare le prime analisi e test degli algoritmi di controllo che andranno ad essere implementati nei componenti elettronici presenti sul veicolo. In questo modo lo sviluppo degli algoritmi e della strategie di controllo avviene di pari passo alla progettazione degli altri componenti del veicolo consentendo una notevole diminuzione dei tempi di sviluppo complessivi del powertrain. Particolare attenzione è stato dato allo sviluppo di modelli in grado di caratterizzare il comportamento dei sistemi di accumulo. In particolare si sono focalizzati i sistemi di accumulo con tecnologie a litio. Sono stati sviluppati modelli in grado di simulare il funzionamento dinamico ed il deterioramento dovuto all’utilizzo di accumulatori litio in condizioni reali. Una delle problematiche affrontate ha riguardato il bilanciamento delle celle a litio che come noto hanno al necessità di essere continuamente monitorate e gestite al fine di consentirne un impiego efficace e sicuro. Infatti la tecnologia a litio richiede la presenza di un elettronica di controllo che, tra la atre cose, si occupi di limitare gli squilibri, in termini di energia utile, tra le celle a litio che compongono un battery system. Al fine di ridurre al minimo l’impatto che una attività di bilanciamento intensa ha sull’elettronica, si è messo a punto una tecnica/procedura di raggruppamento delle celle che presentano un comportamento simile in sede operativa. L’ottimizzazione dell’efficienza complessiva del energy storage system è stata attuata mediante tecniche di clustering basate su reti neurali SOM (Self Organization Map) al fine di minimizzare l’energia persa durante le fasi di bilanciamento delle celle e con una accurate caratterizzazione, modellazione ed aggregazione delle stesse. In questo modo si è riusciti a massimizzare l’energia utile all’interno del pacco batterie ad ogni ciclo di lavoro del veicolo. L’attività conclusiva ha visto lo sviluppo dell’elettronica e delle strategie di controllo del pacco batterie, il Battery Management System (BMS). Una corretta ottimizzazione, controllo e gestione del pacco batteria abbinata ad una cooperazione con i restanti componenti presenti sul veicolo ha consentito di ottenere interessanti risultati dal punto di vista dell’efficienza complessiva del sistema, un aumento della vita utile ed un miglior sfruttamento del pacco batteria. Tutta l’attività di sviluppo degli algoritmi di controllo del BMS è stata effettuata mediante tecniche model based e tecniche di auto-generazione del codice e del software di basso livello secondo lo standard AUTOSAR previsto dall’automotive. L’AUTOSAR è uno standard che definisce ed organizza la struttura software dei dispositivi elettronici il fine di abbattere le barriere che oggi esistono tra i domini funzionali dei dispositivi presenti sul veicolo (dominio incentrato sul veicolo ed incentrato sul passeggero). Il BMS implementa un monitoraggio e controllo delle celle a litio, attua strategie di gestione volte a garantire la safety ed il corretto bilanciamento delle celle in modo da massimizzare l’efficienza e le prestazioni del pacco batteria. Il BMS fornisce, inoltre, una accurata stima della carica residua (SOC), dello stato di salute delle celle (SOH), ed altri parametri sensibili, quali la l’impedenze interna delle celle