Uno Studio sull'Elettrificazione di Veicoli Non-Stradali: Progettazione del Gruppo Propulsore e Modellazione dell'Infrastruttura di Ricarica

In the framework of the decarbonization mission there is a trend in the electrification of new kinds of vehicles apart from automotive ones. The latest European Commission Stage V standard provides more tight emission limits of the so called Non-Road Mobile Machinery (NRMM), whose category includes railroad engines, industrial machinery, inland waterway vessels, offroad vehicles for recreational use, and so on. This work is intended to provide a general overview and discuss some solutions for the electrification of various non-road vehicles by focusing on the powertrain design, both at the electric machine level and the system level. In this scenario, multi-three-phase drives are the subject of great interest for the transportation electrification given their inherent redundant structure and the fault-tolerant capability. However, special attention must be given to the airgap radial force analysis under fault operation, but also to the machine design which must operate in harsh environments. Multi-three-phase drives can be also exploited to achieve reconfigurable architectures which has the ability to change the winding configuration to better match the machine speed to the vehicle operating point. The proposed architecture exhibits two main benefits at low speed operation: an increased efficiency and a reduced phase current ripple for a given switching frequency. The main advantage is the capability of reducing the number of active converters when the machine operates at low speed, thus reducing total converter power losses. However, the system complexity increases since reconfiguration cells are needed to interconnect the winding sets. The employment of high voltage drives can limit the electrification of heavy-duty machinery due to the fact that most manufacturers do not have a specific know-how regarding the electric safety regulations. However, since a lot of NRMM already feature ultra-low voltage systems onboard, the implementation of ultra-low voltage drives can support the widespread use of electric NRMM. Nevertheless, a low battery voltage reduces the machine performance and the powertrain dynamics. To overcome this limitations, Multi-Functional Converter Systems (MFCS) can be implemented in order to boost the battery voltage, by exploiting the electric motor winding and the three-phase inverter connected. Inland waterway vessels are NRMM which can benefit from a battery electric propulsion system thanks to their short ranges and possible closeness to charging infrastructures on the shore. The present work details the design and numerical simulation of the electric machine for a rim-driven propeller thruster for naval applications. Thanks to the absence of the central hub, these thrusters have an increased efficiency and a more compact structure when compared to the traditional ones, for this reason they are particularly suitable for lightweight boats. The electrification of NRMMs and the consequent increasing number of battery vehicles require the development of a suitable and capillary charging infrastructure. The focus is towards solutions to reduce charging times while simultaneously taking into consideration the impact on the converters reliability. Indeed, the increasing power levels and the unpredictable usage pattern of charging stations users, along with the variation of ambient conditions, can cause a serious thermal stress in the converters, whose behavior must be carefully analyzed to schedule the maintenance periods accordingly. For this reason, a study carried out on the thermal modeling of a fast charging station converter is presented in this dissertation. The aim was to obtain a very fast, but accurate simulation of the converter thermal behavior in order to estimate the cumulative damage following different usage patterns and under various ambient conditions.

Nell'ambito della missione di decarbonizzazione c'è una tendenza all'elettrificazione nuove tipologie di veicoli oltre a quelli automobilistici. L'ultimo standard della Commissione Europea prevede limiti di emissioni più stringenti dei cosiddetti Non-Road Mobile Machinery (NRMM), che comprende motori ferroviari, macchine industriali, natanti per la navigazione interna, e così via. Questo lavoro ha lo scopo di fornire una panoramica generale e discutere alcune soluzioni per l'elettrificazione di vari veicoli non stradali, concentrandosi sulla progettazione del gruppo propulsore, sia a livello di macchina elettrica, che a livello di sistema. In questo scenario, gli azionamenti multi-trifase sono oggetto di interesse data la struttura ridondante e la capacità di tolleranza ai guasti. Tuttavia, è necessario prestare particolare attenzione all'analisi della forza radiale al traferro in caso di guasto, ma anche alla progettazione della macchina, che deve poter lavorare in condizioni ambientali difficili. Questi azionamenti possono anche essere sfruttati per realizzare architetture riconfigurabili allo scopo di modificare la configurazione dell'avvolgimento per adattare meglio la velocità della macchina a quella del veicolo. I benefici si ottengono a bassa velocità: una maggiore efficienza e una ridotta ondulazione della corrente di fase, per una data frequenza di commutazione. Il vantaggio di questa architettura è la capacità di ridurre il numero di convertitori attivi quando la macchina funziona a bassa velocità, abbassando così le perdite totali. Tuttavia, la complessità del sistema aumenta poiché sono necessarie celle di riconfigurazione per interconnettere i set di avvolgimenti. L'impiego di azionamenti ad alta tensione può limitare l'elettrificazione dei macchinari pesanti in quanto la maggior parte dei produttori non dispone di un know-how specifico in merito alle normative di sicurezza elettrica. Tuttavia, poiché molti NRMM dispongono già di sistemi a bassissima tensione a bordo, l'implementazione di azionamenti a bassissima tensione può aiutare la diffusione l'uso diffuso di NRMM elettrici. Tuttavia, una bassa tensione della batteria riduce le prestazioni della macchina e la dinamica dell'azionamento. Per ovviare a queste limitazioni, possono essere implementati Multi-Functional Converter Systems (MFCS) al fine di aumentare la tensione della batteria, sfruttando l'avvolgimento del motore elettrico e l'inverter trifase collegato. Anche i natanti per navigazione interna possono beneficiare della propulsione a batteria grazie alle loro brevi distanze di navigazione e alla possibile vicinanza alle infrastrutture di ricarica a riva. Questa tesi descrive in dettaglio la progettazione di un propulsore rim-driven propeller per applicazioni navali. Grazie all'assenza del mozzo centrale, questi propulsori hanno una maggiore efficienza e una struttura più compatta rispetto a quelli tradizionali, per questo sono particolarmente adatti per imbarcazioni leggere. L'elettrificazione dei NRMM e l'aumento dei veicoli a batteria richiede lo sviluppo di un'infrastruttura di ricarica capillare. L'attenzione è rivolta a soluzioni per ridurre i tempi di ricarica, tenendo conto anche dell'impatto sull'affidabilità dei convertitori. L'aumento dei livelli di potenza e l'imprevedibile modalità di utilizzo da parte di chi usufruisce delle stazioni di ricarica, insieme al variare delle condizioni ambientali, possono causare un pesante stress termico nei convertitori, il cui comportamento deve essere attentamente analizzato per programmarne i periodi di manutenzione. Per questo motivo, in questa tesi viene anche presentato uno studio condotto sulla modellazione termica di un convertitore per una stazione di ricarica rapida. L'obiettivo dello studio era ottenere una simulazione ultra-rapida, ma accurata del convertitore per stimare il danno cumulato, in base a diversi scenari di utilizzo e in diverse condizioni ambientali.