Sistema di controllo innovativo per alimentazione di veicoli elettrici con batterie Li-ion

The great innovation of the last years, introduced by almost every carmaker, is the introduction of the hybrid electric/thermal traction. This implies that the research, because of the big funds allocated, highly focuses on this issue. This interest turns out in the development of new technologies and systems able to improve the whole performances, in order to make these vehicles more competitive than the traditional motorizations. There are different methods of approach to the hybrid traction (full-hybrid, mild-hybrid, minimal-hybrid), each one intervening differently in the vehicle’s traction. The main task within these architectures is performed by the battery pack that guarantees a partial or total autonomy of the functioning, depending on the case. The improvement of the efficiency, as the increase of the pack’s life, can produce huge benefits within the vehicle which will be always more reliable and competitive on the market. To have a great efficiency and to avert dangerous situations, it is necessary a management system of the battery pack. In particular, one of the most important problem concerns the imbalance of the voltage (including the charge) of the cells that sometimes tend to converge. In this dissertation the tradeoff architectures currently present will be firstly described. Afterwards the attention will be focused on the tradeoff architecture proposed in this treatise, with its outcomes reached. The Battery Management System (BMS) proposed is based on the concept of the redundant cell (a technique that disconnects in a dynamic way a cell from the battery series in order to optimize the state of charge) . Simplicity, reliability and toughness are undoubtedly some of its positive aspects. Afterwards an efficient system of interface between the redundant cell and the electric engine is presented. It is composed by a reversible buck-boost converter able to stabilize the voltage of the engine’s electricity allowing a bidirectional flow of current till 10A. Finally a CAN-USB conversion device has been developed to acquire the redundant cell’s data on the computer (on this a communication CAN module has been implemented).

La grande innovazione degli ultimi anni, presentata da quasi tutte le case automobilistiche, è stata l’introduzione della trazione ibrida elettrica/termica. Questo ha fatto sì che anche la ricerca, a fronte dei grandi fondi stanziati, si concentrasse con interesse su questo argomento. Ciò si traduce in sostanza nello sviluppo di nuove tecnologie e sistemi capaci di aumentare le prestazioni d’insieme, in modo da rendere competitivi questi veicoli rispetto alle motorizzazioni tradizionali. Diversi sono i metodi di approccio alla trazione ibrida (full-hybrid, mild-hybrid, minimal-hybrid) ed ognuno di essi interviene con peso differente nella trazione del veicolo. Il compito principale all’interno di queste architetture è svolto dal pacco batterie, il quale garantisce un’autonomia, a seconda dei casi, parziale o totale al funzionamento del veicolo. I miglioramenti dell’efficienza, così come l’incremento della vita utile del pacco, possono quindi produrre considerevoli benefici all’intero veicolo, che sarà così sempre più affidabile e competitivo sul mercato. A fronte di ciò, un sistema di gestione del pacco batterie è perciò necessario per avere buona efficienza e per prevenire situazioni pericolose, in particolare uno dei problemi più importanti riguarda lo sbilanciamento della tensione (e quindi dello stato di carica) delle celle, che tendono, alle volte, a divergere tra loro. In questo elaborato dunque verranno dapprima descritte le architetture di bilanciamento delle batterie attualmente presenti e successivamente quella proposta nel trattato in questione, con i relativi risultati raggiunti. Il Battery Management System (BMS) proposto si basa sul concetto della cella ridondante (una tecnica che dinamicamente disconnette una cella dalla serie di batterie per ottimizzarne lo stato di carica) e fa della semplicità, affidabilità e robustezza uno dei suoi principali punti di forza. Successivamente viene anche presentato un efficiente sistema di interfacciamento tra la cella ridondante ed il motore elettrico, composto da un convertitore buck-boost reversibile, in grado di stabilizzare la tensione di alimentazione del motore consentendo un flusso di corrente bidirezionale fino a 10A. Infine si è sviluppato un dispositivo di conversione CAN-USB per acquisire i dati della cella ridondante (su cui è stato implementato un modulo di comunicazione CAN) su PC.