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POWER
ULTRACAPACITOR
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- ELETTRONICA OGGI 468 - MARZO 2018
La topologia dell’oggetto si basa su una struttura “Buck
OR MOS Boost” combinata, applicata per la prima volta
in questo contesto. Essa prevede una gestione dell’ener-
gia completamente digitale e i relativi controllori, men-
tre i parametri sono configurabili via software. In questo
modo, il sistema a batteria ad alta impedenza mantiene
quindi performance tipiche di un sistema a bassa impe-
denza. Quindi è possibile conseguire i seguenti vantaggi:
vita utile della batteria più lunga;
limitazione della corrente regolabile ;
eccellenti caratteristiche in termini di potenza;
possibilità di stimare la vita utile e stato (SOH – State of
Health) della batteria.
Oltre agli ultracondensatori e alla batteria agli ioni di litio,
collegata a un’alimentazione primaria, il nucleo centrale
di questa innovativa topologia comprende l’innovativo
regolatore switching di potenza. Esso à completato da
una logica per la gestione direzionale della corrente
ad alta velocità, che interviene quando viene attivato il
flusso di energia dell’ultracondensatore. A ciò si deve
aggiungere un monitoraggio dei segnali analogici di cor-
rente e tensione della batteria agli ioni di litio e dell’ul-
tracondensatore, in modo tale da poterli condizionare
per ottenere un’efficienza energetica ottimale. Tramite il
microcontrollore vengono definiti i valori di default dei
segnali, quindi vengono generati i segnali PWM per i
MOSFET di potenza (prodotti da Infineon) e quindi per
l’alimentazione switching. Uno speciale commutatore
conduce la corrente direttamente dalla batteria a ioni di
litio al motore nei casi in cui non sono richieste correnti
di picco. Adeguatamente dimensionato, l’ultracondensa-
tore può essere caricato in qualsiasi momento dalla bat-
teria, nelle pause di funzionamento. Una rappresentazio-
ne schematica di questa topologia è riportata in figura 2.
Tecnologia di controllo
Gli appositi algoritmi di regolazione sono stati sviluppa-
ti dal Prof. Dr. Ing. Lutz Zacharias insieme all’Ing. Rin-
go Lehmann e all’Ing. Sven Slawinski, tutti e tre dell’u-
niversità Westsächsische Hochschule Zwickau WHZ).
Dopo un’analisi completa del sistema e una sintesi del
regolatore, accompagnate da studi preliminari di simu-
lazione, sono stati implementati i necessari algoritmi
discreti adatti a soddisfare i vincoli delll’hardware di
destinazione. Per la realizzazione del software di con-
trollo sono stati applicate le più recenti metodologie di
progettazione basata su modelli. La gestione dell’ener-
gia è stata modellata in VHDL-AMS. Con questo linguag-
gio di descrizione dei modelli standardizzato, i sistemi
di regolazione possono essere sia modellati e simulati a
basso livello sia trasferiti automaticamente nell’hardwa-
re di destinazione tramite Auto-Coding. Per assicurare
un funzionamento sicuro è necessario un circuito logico
supplementare operante a velocità molto elevata. Anche
microprocessori veloci e ad alte prestazioni possono
non essere in grado di soddisfare i requisiti in termini
di sicurezza e di prestazioni real-time indispensabili per
l’implementazione di una soluzione affidabile e fattibile.
Per questo motivo è stato deciso di fare investimenti sui
componenti hardware, per esempio sull’utilizzo di com-
paratori ultrarapidi. La sfida in fase di modellazione e si-
mulazione consisteva nel descrivere e mappare con le
reali caratteristiche del controllore, della batteria, dell’ul-
tracondensatore e dei livelli di potenza.
Una soluzione “intelligente” e conveniente
Un’ulteriore simulazione ha dimostrato che un bilancia-
mento degli ultracondensatori in questa applicazione
sarebbe stato utilizzato in rare situazioni, pertanto non
avrebbe senso. Ciò comporta una sensibile riduzione
della complessità del circuito, con tutti i vantaggi che
ciò comporta. Dopo la modellazione, il sistema è stato
interamente simulato e giustificato sulla base di calcoli
matematici, prima di essere acquisito e implementato.
Una volta realizzato, il dimostratore è stato sottoposto a
un’analisi termica (Fig. 3). Il risultato: anche senza dis-
sipatori di calore, la temperatura non ha mai superato
i 50 °C. Ciò dimostra che sia i parametri hardware sia i
parametri di regolazione erano definiti in modo ottimale,
minimizzando così le perdite di commutazione. Il funzio-
namento nel solo range di temperatura sicuro, senza al-
cuno stress termico, influisce inoltre positivamente sulla
vita utile del sistema. Ciò è stato possibile solo utilizzan-
do la topologia Buck OR MOS Boost sviluppata.
Il funzionamento affidabile dell’avvitatore a batteria, il
cui assetto sperimentale è riportato in figura 4 , ha dimo-
strato il funzionamento anche nella pratica del sistema di
accumulo dell’energia ibrido: una conferma che l’obietti-
vo del progetto di ricerca è stato raggiunto.
Fig. 4 – Assetto sperimentale
con il dimostratore