Obiettivo della presente annualità dell’Accordo di Programma era lo sviluppo di moduli standard da 12V, realizzati con batterie al LiFePO4 individuate nel PAR precedente. Per modulo si intende l’insieme costituito da quattro batterie connesse in serie, più il sistema elettronico di controllo BMS (Battery Management System), il sistema di raffreddamento e la meccanica. Per standard si intende che lo stesso modulo può essere impiegato per più applicazioni: lo studio dello scorso anno, infatti, ha dimostrato che realizzando tre moduli standard, uno da 30Ah (piccola taglia), uno da 60Ah (media taglia) ed uno da 100Ah (grande taglia) è possibile raggiungere i livelli di tensione/amperora richiesti da tutte le possibili applicazioni nel campo dell’avviamento/alimentazione ausiliari (anche nel settore nautico) e trazione di veicoli elettrici off-road. Più moduli della stessa tipologia possono essere connessi in combinazioni serie/parallelo per costruire sistemi batterie con le caratteristiche richieste. A proseguimento di quanto svolto nel PAR2010, in conformità con quanto pianificato, sono state svolte le seguenti attività: - esecuzione di prove su campioni delle batterie al litio selezionate nell’anno precedente, per confermarne la possibilità di impiego nelle applicazioni individuate (avviamento e trazione di veicoli elettrici off-road); - studio del comportamento termico delle batterie e definizione della modalità di raffreddamento (ad aria, o ad acqua) più efficace per il modulo batterie sopra definito; - valutazione in esercizio di BMS commerciali di varie tipologie, al fine di scegliere quella più idonea ed emettere le specifiche definitive per il sistema elettronico di controllo (BMS) del modulo batterie; - realizzazione del BMS, del sistema di raffreddamento e della struttura meccanica per la costruzione di: un modulo di avviamento 12V – 30Ah, un modulo di trazione 12V – 30Ah, un modulo di avviamento 12V – 60Ah, un modulo di trazione 12V – 60Ah, un modulo di trazione 12V-100Ah, un dimostratore consistente in un sistema batterie 48V – 100Ah (adatto per l’alimentazione di un piccolo mezzo da giardinaggio) costituito dalla connessione in serie di 4 moduli di grande taglia. Le batterie hanno risposto in modo soddisfacente alla campagna di prove a cui sono state sottoposte e pertanto sono state confermate per il proseguimento dell’attività. Le prove di caratterizzazione a bassa temperatura e le prove d’avviamento a freddo hanno dimostrato che non è necessario un riscaldamento durante il funzionamento a freddo, mentre la caratterizzazione termica ad alta temperatura condotta sulle singole batterie e l’analisi termica condotta prima a livello di singola batteria e poi a livello di modulo, hanno dimostrato che il modulo ha limitate esigenze di raffreddamento ed è sufficiente uno scambio termico ad aria. Sulla base di queste considerazioni, il sistema di gestione termica del modulo è stato realizzato mediante ventilazione forzata. Relativamente al sistema elettronico di controllo BMS (Battery Management System), sono stati provati in esercizio tre sistemi commerciali rappresentativi dello stato dell’arte, due con bilanciamento di tipo passivo ed uno di tipo semiattivo. Inoltre, l’Università di Pisa ha fornito un BMS di propria concezione, con bilanciamento di tipo attivo. A valle del confronto tecnico-economico che ne è scaturito, è stato deciso di adottare nel modulo batterie finale il sistema di controllo con bilanciamento di tipo attivo e sono state formalizzate all’Università di Pisa le richieste per trasformare/specializzare il BMS inizialmente fornito in prova secondo le particolarità dell’applicazione nei moduli batterie: sulla base di tali richieste l’Università di Pisa ha realizzato la progettazione della versione finale del BMS. Una volta definiti il sistema elettronico di controllo e quello di raffreddamento, si è proceduto alla realizzazione della struttura esterna per l’alloggiamento delle quattro batterie, i ventilatori, la scheda elettronica di controllo ed i collegamenti di segnale e di potenza. Come da programma, sono stati realizzati un modulo per avviamento di piccola taglia (30Ah) ed uno di grande taglia (60Ah), un modulo per trazione di veicoli off-road di piccola taglia (30Ah), uno di media taglia (60Ah) ed uno di grande taglia (100Ah). Inoltre, come dimostratore è stato realizzato un sistema batterie da 48V – 100Ah, costituito da quattro moduli standard per trazione di grande taglia (100Ah) connessi in serie, ciascuno dotato del proprio BMS di modulo, con un modulo che assume il ruolo di BMS master.

Sviluppo e realizzazione di moduli batterie litio-ioni per avviamento e trazione non automotive

D'Annibale, F.;Mariani, A.;Pede, G.;Vellucci, F.
2012-09

Abstract

Obiettivo della presente annualità dell’Accordo di Programma era lo sviluppo di moduli standard da 12V, realizzati con batterie al LiFePO4 individuate nel PAR precedente. Per modulo si intende l’insieme costituito da quattro batterie connesse in serie, più il sistema elettronico di controllo BMS (Battery Management System), il sistema di raffreddamento e la meccanica. Per standard si intende che lo stesso modulo può essere impiegato per più applicazioni: lo studio dello scorso anno, infatti, ha dimostrato che realizzando tre moduli standard, uno da 30Ah (piccola taglia), uno da 60Ah (media taglia) ed uno da 100Ah (grande taglia) è possibile raggiungere i livelli di tensione/amperora richiesti da tutte le possibili applicazioni nel campo dell’avviamento/alimentazione ausiliari (anche nel settore nautico) e trazione di veicoli elettrici off-road. Più moduli della stessa tipologia possono essere connessi in combinazioni serie/parallelo per costruire sistemi batterie con le caratteristiche richieste. A proseguimento di quanto svolto nel PAR2010, in conformità con quanto pianificato, sono state svolte le seguenti attività: - esecuzione di prove su campioni delle batterie al litio selezionate nell’anno precedente, per confermarne la possibilità di impiego nelle applicazioni individuate (avviamento e trazione di veicoli elettrici off-road); - studio del comportamento termico delle batterie e definizione della modalità di raffreddamento (ad aria, o ad acqua) più efficace per il modulo batterie sopra definito; - valutazione in esercizio di BMS commerciali di varie tipologie, al fine di scegliere quella più idonea ed emettere le specifiche definitive per il sistema elettronico di controllo (BMS) del modulo batterie; - realizzazione del BMS, del sistema di raffreddamento e della struttura meccanica per la costruzione di: un modulo di avviamento 12V – 30Ah, un modulo di trazione 12V – 30Ah, un modulo di avviamento 12V – 60Ah, un modulo di trazione 12V – 60Ah, un modulo di trazione 12V-100Ah, un dimostratore consistente in un sistema batterie 48V – 100Ah (adatto per l’alimentazione di un piccolo mezzo da giardinaggio) costituito dalla connessione in serie di 4 moduli di grande taglia. Le batterie hanno risposto in modo soddisfacente alla campagna di prove a cui sono state sottoposte e pertanto sono state confermate per il proseguimento dell’attività. Le prove di caratterizzazione a bassa temperatura e le prove d’avviamento a freddo hanno dimostrato che non è necessario un riscaldamento durante il funzionamento a freddo, mentre la caratterizzazione termica ad alta temperatura condotta sulle singole batterie e l’analisi termica condotta prima a livello di singola batteria e poi a livello di modulo, hanno dimostrato che il modulo ha limitate esigenze di raffreddamento ed è sufficiente uno scambio termico ad aria. Sulla base di queste considerazioni, il sistema di gestione termica del modulo è stato realizzato mediante ventilazione forzata. Relativamente al sistema elettronico di controllo BMS (Battery Management System), sono stati provati in esercizio tre sistemi commerciali rappresentativi dello stato dell’arte, due con bilanciamento di tipo passivo ed uno di tipo semiattivo. Inoltre, l’Università di Pisa ha fornito un BMS di propria concezione, con bilanciamento di tipo attivo. A valle del confronto tecnico-economico che ne è scaturito, è stato deciso di adottare nel modulo batterie finale il sistema di controllo con bilanciamento di tipo attivo e sono state formalizzate all’Università di Pisa le richieste per trasformare/specializzare il BMS inizialmente fornito in prova secondo le particolarità dell’applicazione nei moduli batterie: sulla base di tali richieste l’Università di Pisa ha realizzato la progettazione della versione finale del BMS. Una volta definiti il sistema elettronico di controllo e quello di raffreddamento, si è proceduto alla realizzazione della struttura esterna per l’alloggiamento delle quattro batterie, i ventilatori, la scheda elettronica di controllo ed i collegamenti di segnale e di potenza. Come da programma, sono stati realizzati un modulo per avviamento di piccola taglia (30Ah) ed uno di grande taglia (60Ah), un modulo per trazione di veicoli off-road di piccola taglia (30Ah), uno di media taglia (60Ah) ed uno di grande taglia (100Ah). Inoltre, come dimostratore è stato realizzato un sistema batterie da 48V – 100Ah, costituito da quattro moduli standard per trazione di grande taglia (100Ah) connessi in serie, ciascuno dotato del proprio BMS di modulo, con un modulo che assume il ruolo di BMS master.
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