Preliminary design of a hybrid braking unit for rolling stock applications

The present work, carried out in collaboration with Microelettrica Scientifica S.p.a., analyzes the feasibility of a hybrid unit composed by batteries and resistors to increase the energy saving during electric trains braking. The purpose is to study the on-board storage systems application and analyze the effects on resistors, that are one of the company's main businesses. The project does not aim to find a one-size-fits-all solution, but rather to propose a sustainable solution through a case study analysis with a methodological approach. The study is conducted on Italian regional railway lines. They constitute a suitable application field due to the numerous stops and gradients given by the area geographical conformation. Specifically, ten routes with different features are selected as samples and simulations on these are carried out with an Excel spreadsheet (VBA macro) to obtain the power cycles. The focus of the analysis is the cycles negative part, that corresponds to the power generated during braking dissipated electrodynamically through the on-board resistors. Having obtained the energy and power average values through a statistical analysis of the braking energy content, a storage system is chosen and sized. Six different scenarios are outlined to consider two distinct battery types and different sizes of the storage system. Starting from simulations on a sample route, deployment scenarios energy and economic benefits are evaluated, considering the case without any storage system as benchmark (pure electrodynamic braking). In parallel, the mass increase due to battery integration and the different resistor parameters are evaluated. Thus, the proposal provides a model and a method for technological development in transportation world that can ensure both economic benefits and attention to environmental sustainability.

Il presente studio, svolto in collaborazione con Microelettrica Scientifica S.p.a., analizza la fattibilità di integrare sistemi di accumulo a bordo degli elettrotreni (EMU) al fine di recuperare parte dell’energia generata in fase di frenatura che altrimenti andrebbe dissipata tramite i reostati. L’obiettivo è quello di studiare l’applicazione di sistemi di accumulo on-board e analizzare le possibili conseguenze sulle resistenze di bordo, le quali costituiscono uno dei principali business dell’azienda. Il progetto non mira a trovare una soluzione univoca, bensì a proporre una soluzione sostenibile tramite l’analisi di un caso studio con un approccio metodologico. Lo studio è condotto sulle linee ferroviarie regionali italiane. Esse costituiscono un campo di applicazione favorevole per via delle numerose fermate che le caratterizzano e per le pendenze date dalla conformazione geografica del territorio. In particolare, sono state selezionate dieci tratte campione con caratteristiche diverse fra loro. Su queste sono state effettuate delle simulazioni tramite un foglio Excel (VBA macro) per ricavare i cicli di potenza. Ricavati quest’ultimi, l’analisi si è focalizzata sulla parte negativa, ovvero la potenza generata durante la frenatura e che viene dissipata tramite le resistenze a bordo del veicolo. L’analisi statistica del contenuto energetico di queste frenate ha permesso di stabilire dei valori medi di energia e potenza sui quali dimensionare un sistema di accumulo adatto ad immagazzinare parte di questa energia per poi riutilizzarla in fase di trazione. Dopo aver stabilito la tecnologia più adatta, sono stati delineati sei differenti scenari in modo da prendere in considerazione due tipi di batterie distinte e diverse dimensioni del sistema di accumulo. Tramite simulazioni effettuate su una tratta presa come modello, è stata valutata la convenienza energetica ed economica dei vari scenari di implementazione, utilizzando come benchmark lo scenario rappresentativo della situazione attuale (pura frenatura elettrodinamica). Parallelamente è stato valutato l’incremento di massa dovuto all’integrazione delle batterie e le differenti caratteristiche dei reostati dovute al minor quantitativo di energia da dissipare. La proposta ha dunque fornito un modello e un metodo da seguire per uno sviluppo tecnologico nel mondo dei trasporti che possa garantire allo stesso tempo benefici economici e attenzione al tema della sostenibilità ambientale.