Accumulo di energia ibrido per veicoli elettrici: Analisi della gestione energetica di batterie e supercondensatori

The need for electrification of transportation requires an advanced solution in terms of energy storage devices to cater to the needs of electric vehicles. Even though lithium-ion batteries provide high power density required to propel electric vehicles, there is degradation due to high power transients occurring during acceleration and regenerative braking. Supercapacitors provide high power density coupled with long cycle life; however, they do not provide high energy density. This thesis aims to evaluate the efficacy of using a Hybrid Energy Storage System comprising lithium-ion batteries and supercapacitors as an effective solution in electric vehicles, focusing on various energy management strategies. The thesis was carried out by developing an extensive simulation model in MATLAB/Simulink by incorporating various battery models such as lithium-ion battery packs (CATL NMC), supercapacitor packs (Eaton XLM), synchronous boost DC-DC converters, and permanent magnet synchronous motor drives. The model was evaluated using the Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure driving cycle (WLTP). Various energy management strategies were considered in this thesis: fixed time-constant filtering, variable time-constant filtering using supercapacitor State of Charge, and supercapacitor SOC control strategy. Simulation results show that the HESS results in a significant decrease in battery stress levels compared to the battery-alone case. Some of the key results show that the proposed HESS is capable of achieving an average energy consumption of 14.4 kWh/100 km, which is a marked improvement over the battery-alone case, which results in 17.57 kWh/100 km. The supercapacitor effectively acts as a buffer to handle high-frequency power transients, thus greatly reducing battery power stress levels. Specifically, the battery maximum power is reduced from 71.26 kW to as low as 15.71 kW, and the RMS/Average Battery Power Ratio is reduced from 2.602 to 1.126, thus greatly improving battery operation and reducing battery electrical stress levels. The supercapacitor is able to handle high power demands during acceleration and regenerative braking, thus allowing for more regenerative energy to be recovered compared to the battery-alone case. The supercapacitor SOC control method is found to be the most efficient method for minimizing battery power oscillations and thus increasing battery lifespan, even though it results in a slight increase in converter losses. It is concluded that a HESS is beneficial for EV applications and can result in a longer battery lifespan due to reduced battery degradation effects.

La necessità di elettrificare i trasporti richiede una soluzione avanzata in termini di dispositivi di accumulo di energia per soddisfare le esigenze dei veicoli elettrici. Sebbene le batterie agli ioni di litio forniscano l'elevata densità di potenza necessaria per alimentare i veicoli elettrici, si verifica un degrado dovuto agli elevati transitori di potenza che si verificano durante l'accelerazione e la frenata rigenerativa. I supercondensatori offrono un'elevata densità di potenza unita ad un alto numero di cicli di funzionamento; tuttavia, non garantiscono un'elevata densità energetica. Questa tesi mira a valutare l'efficacia dell'utilizzo di un sistema ibrido di accumulo di energia composto da batterie agli ioni di litio e supercondensatori come soluzione efficace nei veicoli elettrici, concentrandosi su varie strategie di gestione dell'energia. La tesi è stata realizzata sviluppando un modello di simulazione esteso in MATLAB/Simulink, incorporando vari modelli di batterie quali pacchi di batterie agli ioni di litio (CATL NMC), pacchi di supercondensatori (Eaton XLM), convertitori CC-CC boost sincroni e azionamenti per motori sincroni a magneti permanenti. Il modello è stato valutato utilizzando il ciclo di guida della Procedura di prova armonizzata a livello mondiale per i veicoli leggeri (WLTP). In questa tesi sono state prese in considerazione varie strategie di gestione dell'energia: filtraggio a costante di tempo fissa, filtraggio a costante di tempo variabile utilizzando lo stato di carica (SOC) dei supercondensatori e strategia di controllo SOC dei supercondensatori. I risultati della simulazione mostrano che il sistema HESS comporta una significativa riduzione dei livelli di sollecitazione della batteria rispetto al caso in cui si utilizza solo la batteria. Alcuni dei risultati principali indicano che il sistema HESS proposto è in grado di raggiungere un consumo energetico medio di 14,4 kWh/100 km, il che rappresenta un netto miglioramento rispetto al caso in cui si utilizza solo la batteria, che comporta un consumo di 17,57 kWh/100 km. Il supercondensatore funge efficacemente da buffer per gestire i transitori di potenza ad alta frequenza, riducendo così notevolmente i livelli di stress della batteria. Nello specifico, la potenza massima della batteria viene ridotta da 71,26 kW a un minimo di 15,71 kW, e il rapporto RMS/potenza media della batteria viene ridotto da 2,602 a 1,126, migliorando così notevolmente il funzionamento della batteria e riducendo i livelli di stress elettrico della batteria. Il supercondensatore è in grado di gestire elevate richieste di potenza durante l'accelerazione e la frenata rigenerativa, consentendo così di recuperare più energia rispetto al caso in cui si utilizzi solo la batteria. Il metodo di controllo SOC del supercondensatore risulta essere il metodo più efficiente per ridurre al minimo le oscillazioni di potenza della batteria e quindi aumentarne la durata, anche se comporta un leggero aumento delle perdite sui convertitori. Si conclude che un sistema HESS è vantaggioso per le applicazioni EV e può comportare una maggiore durata della vita della batteria grazie alla riduzione degli effetti di degrado della stessa.