1.7. 1 Con siderazioni gen er ali
Il sist em a di propuls ione el ett ri ca è il cuore del veicolo el ettrico. Quest o consist e in un sis tema di trazione, dispositivi di t rasmis sione e ruot e. I dispositivi di trasm is sione poss ono ess ere opzional i. Infatti, il sist em a di trazi one, che com prende un motore el ett ri co, un convert itore di potenza e un sist em a di control lo el ettroni co, è il nucl eo del sist em a di propulsi one del veicolo el ett ri co.
sint etizzat e com e segue:
1) Elevat a pot enz a i stantanea ed elevat a densit à di pot enza.
2) Elevat a coppi a a basse velocit à per part enz e e s alit e, così come alt a pot enza ad alt e vel ocit à per mant enere l a velocit à di crociera . 3) Un range di velocit à molto ampi o includendo le regioni di coppi a
cost ante e di pot enz a costant e.
4) Rapi dit à nell a r is posta all a ri chi est a di coppi a. 5) Alt a effi ci enza su grandi range di velocit à e coppi a. 6) Alt a effi ci enza nell a frenat a ri generativa.
7) Alt a affi dabilit à e robust ezza per vari e condizioni di operat ività del veicolo.
8) Costo ragi onevol e.
La scelt a del sis tema di propulsi one el ettrica per i vei coli elettri ci dipende principalm ente da t re fattori – aspet tat ive del pilot a , vincoli del vei col o e s orgent e di energi a. Le aspet tative del pilot a sono definit e dal profilo di guida che include l’accelerazione, velocità mass ima, capacità di ris alit a, frenat a e aut onomi a. I vincoli del veicolo dipendono dal ti po di vei col o, dal p eso e dal cari co util e. Le sorgenti di energia pos sono essere batt erie, cel le a combusti bil e , condensatori, vol ani e vari e sorgenti ibride. Quindi, il processo di i dentificazi one delle caratt eristi che preferite e delle opzioni del pacchet to per l a propulsione el ettrica deve es sere effettuato a livello di sistem a. Inoltre devono ess ere es aminat e l e int erazi oni tra i sottosi st emi ed il loro probabile impa t to sui com promessi da effettuare .
Lo sviluppo del sist ema di propulsione el ett rica deve es sere bas at a su ll o sviluppo di varie tecnol ogi e , speci alm ent e dei m otori el ett rici, dell’elettronica di potenza, della microelettronica e delle strategie di controllo. La Fi gura 1.15 most ra una panorami ca del sistema di propulsi one del vei colo elet tri co, includendo i possi bili tipi di motore, le metodologi e C AD (Comput er-Aided Desi gn ), dispositi vi/topologia dei convertit ori di pot enza, controllo hardware, s oft war e e st rat egie. Al
giorno d’oggi i metodi agli elementi finiti CAD che consentono di prevedere il comportamento dei mot ori ad induzione e dei motori a magneti perm anenti brushless risult ano conveni enti. Ri guardo all e tecnol ogi e dei convert itori di pot enz a, gl i invert er a IGBT ( Insul at ed Gat e Bipol ar Trans istor) cont roll ati con t ecnica PWM ( P ulse W idth Modul ati on ) sono i più popol ari . La t ecnica di cont roll o più utilizzata è quella vett orial e, che può es sere impl ement at a facilm ent e sui moderni microprocess ori .
F i g . 1 . 1 5 : P a n o r a m i c a d e l l e t e c n o l o g i e c o i n v o l t e n e l s i s t e m a d i p r o p u l s i o n e d i u n v e i c o l o e l e t t r i c o [ 1 ] .
Tradizionalment e i motori a corrent e continua s ono s em pre s tati in primo piano nell a propulsi one elet tri ca grazie all a loro caratt eri sti ca di coppia - vel ocit à che soddis fa bene la ri chi est a di trazi one e il l oro controllo di vel ocit à è s empl ice. Tuttavia, i motori a corrent e continua hanno un comm utatore; qui ndi, esso ri chiede una regolare m anutenzione. Recentemente, gli s viluppi tecnologi ci hanno cons ent ito un notevol e sviluppo dei m otori senza commut atori meccani ci. Tali m otori sono caratt erizzati da m i glior effi ci enz a, superiore densi tà di pot enza, m inor cost o di funzionam ent o, m aggiore affi dabilit à e minor m anutenzione rispett o ai m otori a corrente conti nua . P er l’alt a affidabilit à e l ’ass enz a di necessit à di m anutenzione che sono le prime consideraz ioni per l a propulsi one nei veicoli elettri ci , i m otori senza com mut atori sono molt o att raent i. I m otori ad induzione, tra questi , sono l argam ent e accett ati com e propuls ori per i vei coli el ettrici in quant o mat uri, alt ament e affidabili e liberi da manut enzione. In alternativa, i m otori brushl ess a magneti permanenti sono a loro volt a promett enti i n quanto utilizzano magneti permanenti per produrre il fl usso magneti co. Quindi, è poss ibil e ottenere una maggiore effi ci enza e una maggiore densit à di p otenza. I motori “Swit ched R eluct ance” sono a loro volta pot enzialm ent e interess anti perché di sempli ce e robust a cost ruzi one.
1.7 .2 Motori di tr az ione ad induzi one controllati vett ori alm ente
Oggi , i mot ori di trazione a induzione sono l a t ecnologia più matura t ra i vari motori di trazi one s enza commut at ori. La Fi gura 1.16 most ra la caratt eristi ca di un motore di t razione a i nduzione. La tecni ca di controllo pi ù utilizzat a per increm ent are le performance di nami che del motore di trazione a induzi one per l a pr opuls ione del vei col o elet tri co è quella vettori al e. Sebbene il cont roll o vettori al e può offri re un range di vel ocit à am pio e m agg iore di tre o quatt ro volt e rispett o all a vel ocità di base, l’efficienza ad alta velocità può soffrirne. La Figura 1.17 mostra l’ottimizzazione dell’efficienza con controllo vettoriale per un motore di
trazi one ad induzione per veicoli el ett ri ci. Questo sc hema di cont roll o perm ett e di cont rol l are la component e di corrent e relativa al la coppi a e la component e di corrent e relat iva al flusso e qui ndi di m ini mizzare l e perdit e t ot ali i n ogni condizione di carico.
F i g . 1 . 1 6 : C a r a t t e r i s t i c a d i u n m o t o r e d i t r a z i o n e a d i n d u z i o n e [ 1 ] .
F i g . 1 . 1 7 : O t t i m i z z a z i o n e d e l l ’ e f f i c i e n z a c o n c o n t r o l l o v e t t o r i a l e p e r u n m o t o r e d i t r a z i o n e a d i n d u z i o n e [ 1 ] .
1.7.3 M otor e di t razi one a m agneti perm anenti brushl es s
Tra tutti i m otori di propulsi one moderna, i motori a m agne t i perm anenti brushl ess s ono una vali da alt ernativa a i motori di trazione ad induzione per l a propul sione el ett rica. I loro vant aggi sono i s eguenti :
1) Poiché il cam po m agnetico d’eccit azione è prodotto da m agneti perm anenti ad al ta energi a, il peso tot al e e il volum e può essere si gni fi cat ivam ent e ri dotto per un dat o output di potenza, port ando a una elevata densit à di pot enza.
2) Grazie all ’as senza dell e perdite rotori che del ram e, l a loro effi ci enza è si gni fi cativam ent e maggi ore rispento ai motori ad induzione .
3) Poiché il calore si sviluppa pri nci pal ment e nello s tat ore, può ess ere dis sipato più facilm ent e nell o s pazi o circos tante.
4) Poiché i magneti permanenti hanno un minor ri schio di di fetti di fabbri cazione, s urri scaldam ent o o danno m eccani co, l a loro affidabilit à è si gni fi cativam ent e m aggiore.
5) Grazie ad una bas sa cost ante di tempo el ett rom eccani ca del rotore, l’accelerazione del rotore stesso a una certa potenza può essere aum ent at a.
Esist ono varie confi gurazioni di motori a magneti perm anent i brus hless. Ess e dipendono dall a di sposizione dei m agneti perm anenti , fondam entalment e possono essere cl assi ficati com e m agneti superfi ci ali e magneti annegati (int erni ) . Il m at eri al e più util izzato per i magneti perm anenti è il neodimio -ferro boro. Un’alt ra confi gurazione è chi am at a motore a m agneti permanenti i bri do dove il campo m agneti co al t raferro è ottenut o attraverso l ’azione combinat a dei magneti perm anenti e di un avvol gim ento di ecci tazione. In gen eral e, i motori a magneti perm anenti ibri di com prendono tutte l e m acchine elett ri che il cui princi pio di funzionamento si bas a sull a presenza di magnat i perm anenti e s ul princi pio del la vari azione della ril utt anz a . I motori a m agneti perm anenti offrono un am pio range di velocit à e una effi ci enza general e m aggiore ,
ma s ono caratt erizzati da una m aggi ore compl essit à cost rutti va .
1.7.4 Motor e di t razi one “swit ch ed relu ct ance”
I m otori “S wit ched R eluct ance” s ono ri conosciuti com e pot enzi alm ent e interess anti per l ’applicazione su vei col i el ettrici . Pri ncipal ment e, ess i sono derivati dai m otori pas so a ri lutt anz a vari abile. I m otori “Swit ched Reluct ance” sono carat terizzati da s empl icit à di cost ruzione, bas so cost o di produzione e eccezional e caratt eristi ca coppia -vel ocità per l a propulsi one dei veicoli el ett ri ci. Nonostante l a sem pli cit à di costruzione, questo non si gnifi ca che s iano faci li da progett are e da controllare. A caus a dell a pesant e saturazione dei poli e dell’effett o di s frangiam ento dei poli e dell e cave , l a l oro progett azione e il loro controll o sono diffi coltosi . Inolt re, sono norm alm ent e penalizzati da probl emi di rumore acusti co. Recent em ente, è st ato s viluppat o un ottim o approccio al la proget tazi one dei motori , il qual e util izza l’analisi agli el ementi fini ti per mi nimizzare l e perdit e tot ali del m otore m ent re prende in considerazione i vincoli dell’arco di polo, altezza e massima densità di flus so. Inolt re il controllo fuzz y-sliding mode è st at o svi l uppato per questi m otori “S wit ched R eluct ance” per vei coli el ettri ci per maneggiare le non linearit à del motore e minim izzare l e vibrazi oni del controllo.