Riassunto analitico
La presenza dei motori elettrici nel campo della mobilità è in rapido aumento, ma l'innovazione tecnologica delle batterie non sta seguendo questo trend. Ciò comporta grandi limitazioni dovute ai lunghi tempi di ricarica e alla bassa densità di potenza che, ad oggi, la batteria può fornire al sistema.
I supercondensatori rappresentano un'interessante alternativa nell'accumulo di energia, il loro principio di funzionamento si basa su reazioni elettrostatiche, anziché elettrochimiche come nelle batterie, che garantiscono tempi di carica e scarica inferiori, ovvero densità di potenza più elevate. Purtroppo i supercondensatori hanno una densità di energia inferiore rispetto alle batterie, quindi i due sistemi non sono ancora alternativi ma estremamente complementari, possono essere collegati in serie o in parallelo e ogni soluzione ha pro e contro.
Il collegamento in serie consente di utilizzare un banco di supercondensatori più piccolo, rispetto al collegamento in parallelo, perché non è obbligatorio raggiungere la tensione della batteria, quindi si riesce a ridurre il peso, risparmiare spazio e, allo stesso tempo, ottenere un'elevata densità di potenza.
Questa tesi è focalizzata sulla progettazione di un sistema di alimentazione ibrido composto da una serie tra batterie e supercondensatori per l'alimentazione di un monopattino elettrico.
Il sistema consente l'utilizzo di una batteria più piccola ed è in grado di farla funzionare solo nelle fasi in cui la richiesta di potenza costante, è gestito da un convertitore buck posto tra la batteria e il supercap, controllato dal segnale Pulse Width Modulation (PWM) di un Arduino nano che mantiene costante la tensione ai capi della centralina del monopattino regolando la PWM in base allo stato di carica del supercap.
Tale soluzione riduce lo stress della batteria, ne aumenta l'autonomia e la vita media e migliora le prestazioni del monopattino.
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Abstract
The presence of electric motors in the mobility field is rapidly increasing, but the technological innovation of batteries is not experiencing the same trend. This leads to big limitations due to the long charging time and low power density that the battery can provide to the system.
Supercapacitors represent an interesting alternative in energy storaging. Their working principle is based on electrostatic reactions, instead of electrochemical as in the batteries, that guarantee lower charge and discharge time, i.e. higher power density. Unfortunately, supercapacitors have lower energy density than batteries, thus the two systems are still not alternative but extremely complementary, they can be connected in series or parallel and each solution has pros and cons.
The series connection allows using a smaller supercapacitors bank because it is not mandatory to reach the battery voltage, so lower weight, space-saving, and high power density are achieved.
This thesis is focused on the design of a hybrid power supply system composed of a series between batteries and supercapacitors to power an electric scooter.
The system allows the use of a smaller battery and lets it work only in constant power demand phases, it is managed by a buck converter placed between the battery and the supercap, controlled by the Pulse Width Modulation (PWM) signal of an Arduino nano that maintains a constant voltage across the scooter's control unit adjusting the PWM depending on the supercap state of charge.
Such solution reduces battery stress, increases its duration and lifetime, and also improves the electric scooter performances.
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