Controllo e gestione di dispositivi di accumulazione di energia per veicoli su rotaie

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accelerazione, fase a velocità costante o guida libera, fase frenante e fase di 
fermata o fase a velocità nulla. Il ciclo dell’accumulatore corrisponde a: fase di 
carica, fase di mantenimento della carica e fase di scarica.  
Nella seconda riga è messo in evidenza come la sollecitazione di potenza di 
rete  ∋P
2
 può essere ridotta a  ∋P
1
, con l’introduzione di opportuni sistemi di 
accumulazione di energia. 
Questi dispositivi sono in grado di immagazzinare l’energia cinetica durante il 
periodo di frenata e riutilizzarla durante la fase di accelerazione, o nei momenti 
di massima richiesta di potenza. 
Figura 1.2 
 
Figura 1.2 mostra che un dispositivo di accumulazione di energia troppo piccolo 
non sfrutta tutte le potenzialità del recupero di energia. Mentre un dispositivo 
troppo grande possono aumentare i consumi energetici, poiché aumenta la 
massa e il volume del veicolo. Di conseguenza aumentano le dissipazioni 
energetiche. 
Consumo d'energia con e senza accumulatore
Capacita' d'accumulatore
C
o
n
s
u
m
o
 
d
'
e
n
e
r
g
i
a
 
Consumo di energia senza dispositivo di 
accumulazione
Consumo di energia con massimale sfruttamento dell’energia 
Benefici 
Influsso del peso 
d ll’ l t
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È opportuno tenere conto di sistemi di immagazzinamento dell’energia installati 
sui veicoli ferroviari. Infatti, dal punto di vista delle spese e dei ricavi, sia per 
caratteristiche fisiche, sia per le elevate dispersioni elettriche della rete di 
alimentazione, è poco remunerativo riconvogliare in rete l’energia, recuperata 
nella fase di frenata. Di conseguenza, bisogna considerare l’impatto economico 
dell’introduzione di una tale tecnologia nella progettazione dei veicoli su rotaie.  
I dispositivi di accumulazione di energia introdotti sui mezzi su rotaie, 
determinano un notevole aumento del volume e del peso del veicolo, viste le 
grandezze energetiche in gioco. Pertanto si deve analizzare, prima di una 
qualsiasi scelta tra le varie possibili soluzioni tecnologiche, l’accumulatore di 
energia da utilizzare, trovando un compromesso tra volume-peso-costi-
prestazioni tecniche. 
Inoltre, è necessario conoscere, per la scelta definitiva della tecnologia da 
applicare, le precise condizioni di utilizzo dei veicoli presi in considerazione, 
data la differenza delle caratteristiche tecniche dei treni a lunga percorrenza 
(ICE, ITR,…) da quelle dei treni regionali o metropolitani. I fattori discriminanti, 
che definiscono la scelta del dispositivo di accumulazione di energia, sono 
molteplici. Parametri come massa del veicolo, velocità massima, trazione e 
potenza frenate, influenzano dati come la massima energia immagazzinabile e 
il tempo di frenata, perché derivano dall’energia cinetica e dalla potenza 
frenante utilizzata. Il tempo di frenata è diverso per ogni classe di veicoli, e 
oscilla da alcuni minuti a pochi secondi, come per esempio, per treni per 
trasporto pubblico urbano. 
Di conseguenza, l’investimento per soluzioni tecnologiche per il recupero 
dell’energia cinetica sui mezzi a lunga percorrenza con bassa frequenza 
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frenante è poco incentivato, rispetto a veicoli ferroviari con frequenza frenante 
maggiore.          
 
 
1.2 Descrizione delle Problematiche  
La trazione di qualsiasi veicolo è sempre accompagnata da dissipazione 
energetiche. L’energia è necessaria per l’accelerazione, per compensare 
l’attrito negli assi, nelle ruote, negli ingranaggi, per vincere l’attrito della 
resistenza dell’aria, per le dissipazioni nei motori nel convertitore e nei 
trasformatori. Esiste la possibilità di recuperare una buona parte dell’energia 
utilizzata: l’energia erogata nell’accelerazione di un veicolo è parzialmente 
immagazzinata nella massa del veicolo stesso, sotto forma di energia cinetica, 
che può essere recuperata nella fase frenante.  
Attualmente, anche con i più moderni veicoli elettrici, il recupero dell’energia 
nella fase frenante non è perfetto. E’ importante capire, per fare delle stime 
economiche, quanta energia è resa disponibile dal sistema frenante e quanta 
se ne può effettivamente recuperare, con i sistemi di accumulazione, soprattutto 
nella classe dei veicoli urbani su rotaie, adibiti al trasporto pubblico, i quali 
presentano una frequenza di fasi di frenate e accelerazioni molto alta. 
 9
 
0 10 20 30 40 50 60
0
20 
40 
60 
80 
km/h 
0 10 20 30 40 50 60
-2000 
-1000 
0
1000 
Rosso T(t),  Blu: v(t)
kNm 
 
 
Figura 1.3 
 
Figura 1.3, mostra un ciclo di guida ideale per un veicolo ferroviario composto 
da quattro fasi: fase di accelerazione, fase a velocità constante o di guida 
libera, fase frenante e fase di quiete o a velocità nulla.   
L’energia per la fase di accelerazione è erogata da una sorgente che può 
essere la rete di distribuzione, nel caso di motori elettrici, o la combustione 
interna, (tipicamente motori Diesel) nel caso di veicoli alimentati in modo 
indipendente. Parte di questa energia è immagazzinata sotto forma di energia 
cinetica nella massa del veicolo stesso. 
Durante la fase a velocità costante, l’energia erogata dal generatore è inferiore 
e non è immagazzinata sotto forma di energia cinetica. Essa è necessaria per 
vincere i vari attriti e le dissipazioni elettriche. Questa fase può essere più o 
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meno lunga ed è dominante nei cicli di guida dei veicoli a lunga percorrenza 
(figura 1.8 e 1.9). 
0 10 20 30 40 50 60
-100
-50
0
50
100
150
rosso: Potenza di rete, nero: Potenza di trazzione, verde: Potenza dell’accumulatore,
blu: velocita’.
kW
km/ h
sec.
 
 Figura 1.4 
Figura 1.4, illustra l’andamento della potenza di rete, trazione del veicolo e 
velocità, senza l’utilizzo di un dispositivo di accumulazione di energia, ovvero 
con P
Accumulatore
(t) uguale a zero per ogni t, per il ciclo di guida di figura 1.3. 
Nella fase frenante sono applicabili diversi metodi: nei veicoli elettrici l’energia 
cinetica del veicolo può essere riconvogliata nuovamente nella rete di 
distribuzione elettrica, qualora sia in grado di assorbirla; altrimenti è necessario 
dissiparla con sistemi frenanti elettrici o meccanici che trasformano l’energia 
cinetica in calore, per effetto Joule. In ogni caso, questa operazione è 
accompagnata normalmente da alte dissipazioni per le elevate potenze 
energetiche in gioco. 
Per veicoli con frequenti fasi di accelerazioni e frenate è certamente 
vantaggioso avere, all’interno di essi, dispositivi di accumulazione per 
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recuperare l’energia cinetica nella fase di frenata e riutilizzarla nella successiva 
fase di accelerazione. In questo modo si possono diminuire notevolmente le 
sollecitazioni della rete elettrica di distribuzione e le dissipazioni elettriche. 
Questo discorso acquista molto più valore per veicoli alimentati in modo 
indipendente, in cui non è possibile un riconvoglio in rete dell’energia cinetica 
eventualmente recuperata dal sistema frenante.  
0 10 20 30 40 50 60
-100
-50
0
50
100
150
 Rosso: potenza di rete, nero: potenza di trazione, verde: potenza d’accumulazione,
blu: velocita’.
kW
km/ h
sec.
          Figura 1.5 
Figura 1.5 mostra la potenza di rete, la trazione del veicolo e velocità con 
dispositivo di accumulazione di energia per il ciclo di guida di figura 1.3.    
Lo scopo della ricerca è determinare una legge di controllo e di gestione dei 
dispositivi di immagazzinamento dell’energia in grado di utilizzare in modo 
ottimale le capacità dei dispositivi e raggiungere gli obiettivi prefissati. Questi 
ultimi sono la riduzione delle dissipazioni di energia e delle sollecitazioni di 
potenza in rete, come evidenziato in figura 1.5.  
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1.3 Impostazione della ricerca 
L’intero progetto è stato svolto presso i laboratori di ricerca e sviluppo della 
Daimler Chrysler, a Berlino (Germania), situati in Hennigsdorf e con la 
supervisione del dipartimento di Automatic Control del LTH di Lund (Svezia). 
Il lavoro di ricerca è stato diviso in due parti: la prima parte è una fase di studio 
e simulazione, nella quale inizialmente è stato costruito un modello elettrico di 
simulazione, coinvolgendo tutte le grandezze energetiche in regime quasi 
stazionario (cioè non sono considerati i fenomeni transitori). Il modello elettrico 
di simulazione ha come ingressi solo la velocità e la trazione richiesta del 
veicolo lungo un percorso predefinito, oltre alla legge di utilizzo 
dell’accumulatore dell’energia. In uscita vi sono tutte le grandezze elettriche in 
gioco, come l’energia della rete elettrica, l’energia ad ogni istante contenuta 
nell’accumulatore, le tensioni e le correnti nei vari nodi e rami e tutte le energie 
dissipate dal modello teorico.  
In seguito, si è implementato un algoritmo di ottimizzazione, il quale sotto certi 
vincoli energetici, determina la legge di flusso di energia dell’accumulatore, in 
modo da minimizzare i picchi di potenza di rete, le varie dissipazioni e i consumi 
energetici. 
In questa fase di ricerca si è analizzato come i vari fattori energetici influenzano 
le prestazioni di tutto il sistema, costituito dal veicolo, dal dispositivo di 
accumulazione di energia e dalla sorgente di potenza. Inoltre si è voluto capire, 
per via analitica e grafica come, sotto precise condizioni energetiche, 
minimizzando un fattore, ne aumenta un altro e viceversa. 
La seconda parte della ricerca consiste nella rielaborazione di tutte le 
conoscenze acquisite in precedenza, al fine di determinare una legge di 
controllo che permette di sfruttare il dispositivo di accumulazione dell’energia in 
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modo ottimale in un contesto real time. La legge di controllo è implementata 
secondo i tradizionali schemi della teoria controllistica. Tenendo conto dei 
risultati ottenuti nella fase precedente di ottimizzazione sono stati valutati quali 
margini dell’algoritmo di controllo possono essere migliorati. La legge di 
controllo è implementata in modo semplice e schematico per permettere 
successive implementazioni e modifiche.                
 
1.4 Scopo della ricerca         
I principi fisici, alla base del funzionamento dei dispositivi di accumulazione di 
energia, sono largamente conosciuti, ed esistono un largo numero di relazioni 
matematiche che descrivono la fisica dei dispositivi. Non è ancora chiaro come 
devono essere impiegati, in modo ottimale e in condizioni reali, le fasi di carica 
e di scarica di tali dispositivi. La strategia di controllo impiegata, oltre a centrare 
gli obiettivi di ridurre i consumi energetici e abbassare i picchi di potenza dalla 
rete, tiene conto delle limitazioni fisiche dei dispositivi utilizzati, come la 
massima energia accumulabile e la potenza massima di carica o di scarica. 
L’algoritmo di controllo deve lavorare in tempo reale con le uniche informazioni 
disponibili circa la velocità del veicolo, l’energia disponibile e le attuali 
prestazioni di guida richieste. I profili dei percorsi e le informazioni, riguardo 
future richieste di performance di guida, non sono disponibili per determinare la 
legge di controllo ad un certo istante.  
Utilizzare sistemi di accumulazione a bordo di veicoli, con frequenti fasi di 
accelerazione e di frenate, porta molteplici vantaggi. Innanzitutto, l’energia 
totale dissipata è ridotta, mentre i picchi delle sollecitazione di potenza sono 
abbassati. Per i veicoli alimentati con energia elettrica, vi è una maggiore 
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stabilità di erogazione di rete e quindi una diminuzione delle dissipazioni e delle 
dispersioni di energia. 
Per veicoli con alimentazione indipendente, alimentati con generatori Diesel e 
con motori elettrici, una stabilizzazione dell’energia erogata permette al 
generatore Diesel di lavorare nel regime di massimo rendimento, aumentando 
le prestazioni al meglio.    
Possono essere impiegati, per gli stessi veicoli, generatori di energia di potenza 
inferiori, oppure, in tratti di linea con forti limitazioni di potenza, possono essere 
impiegati veicoli con prestazioni maggiori in grado di alzare le velocità o 
aumentare il numero di vagoni, quindi migliorare il confort dei passeggeri.    
Lo scopo della ricerca è determinare una legge di controllo che permetta di 
utilizzare in modo ottimale le potenzialità dei dispositivi di immagazzinamento 
dell’energia, tale da centrare gli obiettivi prefissati di ridurre consumi di energia 
e diminuire le sollecitazioni dei generatori di potenza della rete di distribuzione 
elettrica. 
Tale algoritmo di controllo deve lavorare in modo ottimale, non conoscendo a 
priori le caratteristiche dei tracciati, ossia, le relative fasi di accelerazione, 
frenate, salite e discese dei veicoli, sui quali saranno montati i dispositivi di 
accumulazione dell’energia.  
 
1.5 Classificazione dei veicoli ferroviari  
Prima di iniziare a parlare dei benefici economici, che potrebbero essere 
ottenuti mediante l’introduzione di sistemi di accumulazione di energia, 
utilizzando opportune strategie e leggi di controllo, è necessario fare una 
suddivisione e classificazione dei vari veicoli ferroviari esistenti sul mercato.