Sviluppo del sistema di controllo per l'accumulo tramite supercondensatori

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1. Capitolo primo – Descrizione del sistema 
1.1. Introduzione  
L’impiego dei supercondensatori per l’accumulo dell’energia offre numerosi 
vantaggi, specialmente in quelle applicazioni che sono caratterizzate da brusche 
variazioni della potenza assorbita, come ad esempio nel caso della trazione 
elettrica. In questo campo i supercondensatori possono affiancare gli 
accumulatori tradizionali, andando a migliorare il comportamento dell’intero 
sistema.  
Osservando infatti il ciclo di lavoro di un veicolo elettrico si nota subito una 
grande differenza tra la potenza media e quella di picco richiesta. Inoltre anche 
nelle fasi di frenatura rigenerativa si ha un picco di potenza, che questa volta 
fluisce verso gli accumulatori. Questi picchi e brusche variazioni di potenza si 
traducono in picchi e rapide variazioni di corrente, che però sono mal sopportate 
dalle batterie. Le batterie infatti, a causa delle reazioni elettrochimiche che le 
caratterizzano, lavorano in maniera ottimale con correnti di carica o di scarica 
basse e poco variabili nel tempo. Per evitare quindi un eccessivo stress degli 
accumulatori, che si traduce in una diminuzione della vita, del rendimento e delle 
prestazioni degli stessi, è opportuno affiancargli dei dispositivi che sopperiscano 
ai picchi e alle variazioni di potenza, andando quindi a livellare potenza richiesta 
alle batterie. Particolarmente adatti a questo scopo sono i supercondensatori, 
che consentono di erogare o assorbire elevate potenze seppur per brevi periodi 
di tempo. 
 
1.2. Struttura del sistema 
Tra tutti gli schemi di collegamento possibili, quello che offre i maggiori benefici, 
è quello in cui supercondensatori e batteria sono in parallelo tra loro[1], come 
mostrato in Figura 1.1.
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Figura 1.1 Schema di collegamento in parallelo tra batteria e supercondensatori 
La batteria è collegata direttamente al link in continua. I supercondensatori sono 
collegati in parallelo alla batteria attraverso un convertitore dc/dc bidirezionale, 
che consente quindi sia di prelevare che di immettere energia nei 
supercondensatori. Il motore è connesso al link in continua attraverso un 
inverter. Il convertitore ha sia il compito di adattare il livello di tensione dei 
supercondensatori a quello del link in continua, sia quello di gestire il flusso di 
potenza tra le due sorgenti. Come detto in precedenza l’utilizzo dei 
supercondensatori comporta numerosi vantaggi. In particolare, adottando 
opportune strategie di controllo, si riesce a fare in modo che siano i 
supercondensatori a sopperire ai picchi di potenza, mentre la batteria eroga una 
potenza pressoché costante. In pratica la batteria funziona da sorgente di 
energia, fornendo la potenza media richiesta dal carico, mentre i 
supercondensatori funzionano da sorgente di potenza, sopperendo alle rapide 
variazioni del carico. In questo modo la batteria lavora in condizioni ottimali, con 
basse correnti di carica o scarica, e quindi si ha un aumento del ciclo di vita delle 
stesse. Si ha inoltre anche un aumento delle prestazioni in fase di accelerazione e 
una migliore efficienza energetica durante la frenatura rigenerativa grazie alla 
capacità dei supercondensatori di erogare e assorbire elevate correnti, e quindi 
permettere scariche e cariche molto più veloci rispetto a quelle delle batterie. 
  
 
DC 
AC 
DC 
DC
4 
 
 
1.2.1. Il convertitore dc/dc 
Tra i vari convertitori dc/dc bidirezionali, in studi precedenti [2] è stato 
dimostrato che quello che risulta il più conveniente dal punto di vista tecnico-
economico, per interfacciare i supercondensatori con il link in continua, è il 
convertitore Half Bridge-Current Source. Con questo tipo di convertitore si riesce 
infatti ad avere un miglior dimensionamento degli switch e del nucleo 
magnetico[3].  Lo schema elettrico del convertitore è mostrato nella Figura 1.2. 
1
T
2
T
1
D
2
D
3
T
3
D
4
T
4
D
p
V
1 s
V
2 s
V
1
V
2
V
 
Figura 1.2 Schema del convertitore Half Bridge-Current Source 
Il convertitore è composto da quattro switch con relativo diodo di ricircolo, un 
trasformatore ad alta frequenza, un induttore e tre condensatori di filtro. Il 
trasformatore, oltre a fornire un isolamento galvanico, è necessario a causa delle 
tensioni molto diverse alle due porte (il link in continua si trova a una tensione 
costante di 350 V, mentre i supercondensatori hanno una tensione che varia tra 
25 V e 45V). Senza di esso infatti il convertire lavorerebbe con valori di duty cycle 
non ottimali, per questo un semplice up-down bidirezionale non risulterebbe 
adatto. Essendo l’ Half Bridge-Current Source un convertitore bidirezionale, ha 
due modalità di funzionamento: 
• modalità di carica, durante la quale i supercondensatori vengono 
ricaricati
5 
 
• modalità di scarica, durante la quale i supercondensatori vengono 
scaricati 
Modalità di carica 
Quando è in modalità di carica il convertitore funziona da step-down, e la 
potenza fluisce dalla porta 1 alla porta 2, ricaricando appunto i 
supercondensatori. Gli interruttori   e   sono modulati con duty cycle 
0 ≤   < 0,5 e con uno sfasamento reciproco di 180°, mentre gli interruttori   
e   sono lasciati aperti. I condensatori   e   formano un partitore di tensione 
capacitivo e suddividono la tensione   in   /2	. Ipotizzando che il 
funzionamento sia a regime permanente, che tutti i componenti siano ideali, e 
che la corrente sull’induttanza filtro sia continua, si possono distinguere quattro 
fasi all’interno del periodo di commutazione   .  
Durante la prima fase, che va da  = 0 a  =   	  ,   è in conduzione e   è 
spento. Si ha quindi, al primario: 
  =   /2  (1.1) 
Di conseguenza ai secondari del trasformatore si ha: 
   =    =
    	
  2
 
(1.2) 
A causa di questa tensione il diodo   è in conduzione, mentre invece il diodo   
è contropolarizzato. Sull’induttanza di filtro si ha quindi una tensione: 
  =    −   =
    	
  2
−   
(1.3) 
Questa tensione provoca un incremento della corrente che scorre nell’induttore 
filtro pari a: 
∆   1 =
  	
 ∆ =
     	
  2
−     	  	  
(1.4)