Analisi di veicoli ferroviari con modulo last mile a batteria

One of the limit of railway freight market, if compared to road one, is a little flexibility in the first and in the last link of the overall chain: in this paper a battery module is dimensioned to propose an innovative solution to replace the diesel engine in the freight locomotives equipped with last mile module. TRAXX MS 3 by Bombardier is kept as example. However, today there are well-developed technologies of lithium-ion batteries, coming from road transportation system: some of them are being already tested in railway, with positive results. An estimation of total energy necessary to compose the train and to keep it under catenary is carry out using traction diagrams: the sizing of the traction battery, of automotive type made by Lithium Werks, will be based on this estimated value. The economic feasibility of the proposed system is presented using break-even analysis by presenting three different scenarios: two contemporaries and one at 2030. Finally, the proposed electrical circuit is simulated, using the software Simulink, to verify its actual stability and to show a start-up cycle.

Nel testo si propone il dimensionamento di un modulo a batterie, con lo scopo di offrire un’alternativa al gruppo diesel di piccola taglia attualmente a bordo delle locomotive merci con opzione last mile. Dapprima si analizza il settore del trasporto merci ferroviario esaminandone i limiti, con particolare attenzione al problema dell’ultimo miglio e alle soluzioni fornite dalle imprese costruttrici di veicoli ferroviari. Si presentano poi le tecnologie di self propulsion provenienti dal settore su gomma e si illustrano alcuni esempi d’installazione in ambito ferroviario. Viene poi illustrato lo stato dell’arte per le batterie di trazione, con particolare focus su quelle agli ioni di litio. In un capitolo dedicato, si mostrano tutte le opzioni possibili di ricarica, illustrando gli accorgimenti necessari alla sicurezza ed evidenziando le modalità che meglio si addicono al caso last mile. Si modellizza, sotto opportune ipotesi, il sistema proposto sia dal punto di vista elettrico sia da quello meccanico, dopo aver presentato la teoria della dinamica della locomozione, dei regolatori di tipo PID e dei circuiti equivalenti per i motori ad induzione. Si enuncia la teoria alla base dell’algoritmo matematico per tracciare i diagrammi di trazione, i quali saranno poi impiegati, con l’ausilio di un foglio di lavoro Excel, per stimare l’energia su cui dimensionare le batterie. Si propone un dimensionamento del modulo last mile, impiegando batterie commerciali (prodotte dalla casa statunitense Lithium Werks) automobilistiche, ma già testate positivamente in ambito ferroviario, e se ne valuta la fattibilità economica per mezzo dell’analisi di break-even (o del “punto di pareggio”) presentando tre diversi scenari: due contemporanei e uno al 2030. Si simula, infine, il circuito elettrico proposto, impiegando l’estensione Simulink del software Matlab, per verificarne l’effettiva stabilità e per mostrare un ciclo d’avvio.