Flywheel energy storage for vehicle applications

In recent years, a significant increase in the market share of electric vehicles was observed. Most of these vehicles are meant for private use and are equipped with chemical batteries. Despite the huge improvements made on the capacity of the new generation lithium ion batteries, the long charging time remains a main drawback of this technology and opens the possibility for alternative solutions. The present work describes a preliminary study aimed at investigating the possibility to realize an electric vehicle relying on the flywheel energy storage technology as a primary energy source. First, a numerical and an analytical model of such a system are proposed and evaluated. Next, two sets of optimizations are performed on these models. Through the first optimization set, the optimal geometry for the rotors in the energy storage system is identified. This first process is repeated several times considering different alternatives for the rotors material, maximum rotational speed and basic geometry. Through the second optimization set, the ideal displacement and orientation of the rotors on the vehicle frame, as well as the total number of rotors, are investigated. Finally, three multi-rotor configurations for the energy storage system are proposed and described. The data collected after performing simulations on the dynamics of these systems are then studied. In conclusion, after presenting observations on the feasibility of such a technical solution, a set of future steps for the development of the flywheel energy storage technology for vehicle applications are proposed.

Negli ultimi anni si è osservato un significativo aumento della diffusione dei veicoli elettrici sul mercato. Questi sono principalmente veicoli ad uso privato, ed equipaggiati con batterie chimiche. Nonostante le batterie di nuova generazione abbiano portato enormi sviluppi in termini di capacità, i lunghi tempi di ricarica rimangono un grande svantaggio di questa tecnologia, e lasciano aperta la possibilità di subentrare a soluzioni alternative. Questo lavoro è uno studio preliminare finalizzato a valutare la possibilità di realizzare un veicolo elettrico che, come sistema di accumulo energetico, sfrutti la flywheel energy storage technology. Come primo step, per un tale sistema, sono proposti e valutati due modelli, uno analitico ed uno numerico. Successivamente, su di essi sono effettuate due serie di ottimizzazioni. Con il primo set si effettua una ricerca della geometria ottimale del singolo rotore nel sistema di accumulo energetico. Questo processo è ripetuto numerose volte, ognuna delle quali è effettuata considerando differenti alternative per il materiale del rotore, per la sua velocità massima e per la sua geometria di base. Con il secondo set di ottimizzazioni, si valutano il posizionamento e l’orientazione ideali per i rotori sul telaio, e il numero totale di rotori. Successivamente sono proposte e descritte tre differenti soluzioni per il sistema multi-rotore. Infine sono analizzati i dati ottenuti dalla simulazione sulla dinamica di questi sistemi. In conclusione, dopo aver fornito delle valutazioni generali sulla fattibilità di una tale soluzione tecnica, sono suggeriti una serie di step futuri per procedere con lo sviluppo della energy storage technology per applicazioni su veicoli.