misura e gestione dell’energia a bordo veicolo: situazione attuale...

© Hitachi Rail Italy, S.p.A. 2015. All rights reserved.

Hitachi Rail Italy01/12/2016

G. De Marco

HITACHI CONFIDENTIAL

Misura e gestione dell’energia a bordo veicolo:situazione attuale e sviluppi futuri

Convegno AICQ

© Hitachi Rail Italy, S.p.A. 2015. All rights reserved. 1

Situazione attuale

Misura energia a bordo veicolo tramite sistemi di comando e controllo di bordo

Misura energia a bordo veicolo tramite energy meter conforme alla normativaEN50463

Accorgimento tecnologici per la riduzione dei consumi energetici su veicoliregionali e metropolitani

Simulazioni per la verifica dei consumi energetici secondo norma UNIFE TECREC 100_001

Applicazioni HRI con utilizzo di sistemi Supercap

Sviluppi futuri

Misure di energia a bordo veicolo in presenza di sottostazioni a recupero Sviluppo algoritmi di ecodrive

Misura e gestione energia – Applicazioni HRI


Misura energia a bordo veicolo – Elettronica di bordo

Sui veicoli metropolitani forniti ad ATM per Metro Milano linee 1 e 2 (forniturabase di 30 veicoli completata, opzione di 15 veicoli in corso di fornitura) ai finidella verifica del contenimento dei consumi di energia è contrattualmenteprevista la misura e la verifica dell’energia assorbita dagli equipaggiamenti ditrazione e quella restituita nelle fasi di frenatura elettrodinamica.

Per la misura sono stati utilizzate le centraline del sistema di comando econtrollo del veicolo (TCMS – Train Control and Monitoring System) e delcontrollo del sistema di propulsione e ausiliari (TCU – Traction Control Unit,ACU – Auxiliary Control Unit), che comunicano tramite la rete dicomunicazione di bordo.

Per la validazione sono stati installati a valle di un pantografo degli EnergyMeter EM4T della LEM, per confronto con i valori inviati dalle centraline dibordo.

La prova ufficiale di validazione, eseguita dal cliente ATM, ha rilevatoscostamenti contenuti (entro il 5%) tra il valore misurato dall’ Energy Meter equello rilevato dalle centraline del veicolo e visualizzate sul monitor di banco.


Misure a bordo veicolo – Architettura del sistema

M1 R M2

Sistema ausiliari

Sistema di propulsione

Sistema di propulsione

TCUACUTCU

TOD Monitor di banco

Bus di veicolo MVB

EM

Unità base Metro Milano, il veicolo è formato da 2 triplette


Misura energia a bordo veicolo – Energy Meter

Sui veicoli ferroviari per trasporto regionale è prevista l’installazione di unsistema ridondato per la misura dell’energia, sia quella assorbita dalla lineanelle fasi di trazione, sia quella rigenerata in linea nelle fasi di frenaturaelettrodinamica.

Il sistema è conforme alla normativa EN50463 – Energy measurement onboard trains, ed è collegato a valle di ciascun pantografo.

L’energy meter è composto dai seguenti componenti:

Una parte di alta tensione, installata sul tetto nelle vicinanze degli altricomponenti del circuito di captazione, che include i trasduttori per lamisura della tensione e della corrente di linea

Una centralina, ubicata in un armadio di bassa tensione posto all’internodelle stesse casse, che è collegata al TCMS per fornire i dati di energiamisurata ed i valori istantanei della tensione e della corrente di linea.

Il DIS riceve via MVB da TCMS, anche i dati di consumo energetico per larelativa registrazione.


Energy Meter – Architettura del sistema

HVEM(Misura tensione e corrente di linea)

Circuiti di alta tensione

TCMS

Pantografo

Tetto

CompartoCNBEM

(Elaborazione, Comunicazione

EMS

EnergyMeter

Rivelatore Armoniche

Precarica

Propulsione + Ausiliari

M

DIS

Eth link

MVB

Possibili sviluppi: Integrazione tra Energy Metere rivelatore di armoniche per il controllo dellecomponenti a 50 Hz della corrente di linea(maschera FS 96)

(VL, IL, En)

(En)


Gestione energia – Riduzione consumi energetici

Accorgimenti tecnici utilizzati durante la progettazione dei veicoli, da parte diHRI, sia per applicazioni ferroviarie che metropolitane

Regolazione aria frescaIl sistema HVAC viene dotato di sensori di CO2 per la regolazionedell’aspirazione dell’aria esterna in base reale occupazione del veicolo, inalternativa ai sistemi tradizionali con aspirazione di aria costante.

Materiali di isolamentoL’uso di materiali isolanti avanzati permette di avere prestazioni superiori diisolamento termico, con ingombri e pesi minori. Questo comporta ovvi beneficidal punto di vista dei consumi energetici, in particolare dell’impianto dicondizionamento.

Riduzione del peso a tara del veicoloIl peso del veicolo a tara ha un impatto determinante sul consumo energetico.Particolare attenzione è stata dedicata quindi alla riduzione del peso sia tramitel’utilizzo di materiali “leggeri” ad elevate prestazioni, sia ottimizzando ildimensionamento delle strutture e dei componenti principali, sia tramite scelteprogettuali come ad esempio l’utilizzo di 2 dischi in acciaio al posto deitradizionali 3 dischi in ghisa per ogni asse portante, alimentazione di bassatensione a 110 Vdc invece che a 24 Vdc.



Illuminazione a LEDIl sistema di illuminazione impiega moduli led di potenza di ultima generazionead alta efficienza si riflette in una sostanziale riduzione dei consumi elettrici.

Catena di propulsione e ausiliariPer quanto riguarda la catena di trazione le scelte progettuali che incrementanoil rendimento del sistema e quindi portano ad una riduzione dei consumicomplessivi sono:

Inverter di trazione ad IGBT monostadio, ovvero senza la sezione dichopper step down

Utilizzo di sistemi di raffreddamento del convertitore più efficienti Integrazione sistema di raffreddamento per inverter di trazione e

convertitori servizi ausiliari Ventilatore a doppia velocità del sistema di raffreddamento per ridurre i

consumi a treno fermo. Motori a ventilazione naturale



Modalità parking basso consumoTale modalità ha lo scopo di ottimizzare la fase di sosta prolungata, ad esempioin deposito, da un punto di vista energetico riducendone il consumo.

La modalità “Parking basso consumo” permette infatti di mantenere attival’alimentazione da catenaria del treno con convertitori ausiliari e carica batteria infunzione con banco disabilitato mentre vengono disabilitati tutti i carichi nonnecessari.

Le funzioni principali di questa modalità sono:

Mantenimento in carica delle batterie Mantenimento della temperatura interna del convoglio ad una

temperatura superiore a 0°C in modo da evitare il possibilecongelamento

Alimentazione delle prese per le attività di pulizia Possibilità di alimentare i carichi MT e BT per verifiche funzionali


Gestione energia - Simulazione consumo energetico

Le simulazioni relative all’assorbimento di energia per i veicoli regionali sonostate realizzate in accordo alla norma UIC/UNIFE TECREC 100_001 -Specification and verification of energy consumption for railway rolling stock.

La simulazione del consumo energetico è stata effettuata in accordo allostandard UIC/UNIFE TECREC 100_001 utilizzando come tratta di riferimentola tratta B3, “regional passenger traffic”, riportata nell’appendice B dellostandard considerando una velocità di linea di 160 km/h laddove lo standardrichiede una velocità di 140 km/h.

Il peso del convoglio è quello in condizioni di pieno carico come da richiestadi capitolato, invece che il carico normale operativo richiesto dalla norma diriferimento UIC/UNIFE TECREC 100_001

Su tale tratta sono stati calcolati i consumi energetici e sono stati verificati itempi di percorrenza della tratta, sia nelle condizioni di normalefunzionamento con il 100% della trazione disponibile, sia nelle condizioni didegrado corrispondenti al 75% della trazione funzionante e al 50% dellatrazione funzionante.

Le verifiche sono state effettuate con tool di simulazioni di sistema di HRI.

Si riporta nella seguente figura a titolo di esempio la simulazione della trattasopra citata effettuata con il 50% della trazione disponibile.


Gestione energia – Simulazione consumo energetico

Simulazione di tratta di B3, “regional passenger traffic” con 50% della trazione disponibile [Tempo di percorrenza di 68 minuti circa]


Gestione energia – Utilizzo di sistemi supercap

Ripartizione del consumo di energia di un veicolo ferroviario (fonte UITP)

Sviluppo sistema basato su supercap per risparmio energetico, e testato suveicolo tramviario dimostratore.

Sviluppo sistema supercap integrato con sistema di captazione da terra persuperamento tratti neutri, sperimentato su un veicolo dimostratore esuccessivamente implementato su commesse tramviarie.

Possibili sviluppi allo studio: Utilizzo Supercap nuova generazione e/o batterieal litio / batterie al sale per aumento prestazioni di autonomia.


Gestione energia – Supercap per energy saving

Modulo Supercap(100 Wh)

ModuloChopper DC /DC

Banco Supercap(400 Wh)

SuperCaps

Braking Resistor

M 3 ~


Gestione energia – Sistemi di accumulo a supercap

Super capacitor – Funzionamento sistema di accumulo

Immagazzinamento di energia durante la fase di frenatura

Riuso dell’energia immagazzinata per la trazione

Riuso dell’energia per il superamento di tratti senza

catenariaAltri utilizzi

Limitazioni correnti di picco sottostazione

Discontinuità catenaria (icing, tratti neutri)


Gestione energia – Supercap con sistema Tramwave

Il sistema Tramwave, sviluppato con Ansaldo STS, è un sistema di captazioneda terza rotaia di alimentazione in sede promiscua di sicurezza

La captazione avviene mediante strisciamento delle spazzole del captatoresulla superficie attiva della canalina

Il polo positivo è posto al centro della canalina e viene portato in tensionemediante sollecitazione magnetica del captatore sulla bus bar interna(collettore lineare)

L’integrazione di tale sistema con i supercap consente un assorbimentocontinuo di energia dalla linea in presenza di incroci / scambi / deviatoi, o ingenerale zone dove la linea necessita di interruzione

Magnetpositive shoenegative shoe

Motor


Gestione energia – Supercap con sistemi tramwave

Utilizzo supercap per superamento tratti neutri

Immagazzinamento di energia in condizione di captazione dalla linea

Riuso dell’energia per il superamento di tratti senza catenaria


Misura energia – Sottostazioni reversibili

EMPIR: European Metrology Project on Innovation and Research. Cofinanziati dal consorzio di enti metrologici Europe, i EURAMET e da HORIZON 2020.

PROPOSTA TECNICA: misurare in modo accurato l’energia dissipata dai reostati difrenatura per uno specifico mezzo di trazione, correlare l’andamento, nel tempo dell’energiadissipata con informazioni relative agli stati del convertitore di frenatura (istanti di accensionee spegnimenti, angolo di accensione, temperatura del reostato, ecc...attraverso leinformazioni raccolte dalla logica di veicolo, stimare l’energia dissipata dai reostati difrenatura di una serie di treni circolanti in una sezione specifica

NECESSITA’: prevedere vantaggi edimpatto prodotti dall’installazione di nuovesottoostazioni reversibili (RSS)

OBIETTIVO: realizzare un tool che coinvolga misure e modelli per stimare l’impatto di nuove RSS

Output:• Best Practice Guideline per la stima dell’energia dissipata dai reostati di frenatura potenziale energia

recuperabile dall’installazione di RSSs• Applicazione on-site presso Metropolitana di Madrid

Metrology for Smart Energy Management in Railway SystemsMyRailS


Gestione energia – Algoritmi di Ecodrive

La funzione Ecodrive è di supporto alle decisioni del PdM ed ha lo scopo di intervenire sullostile di guida del macchinista, indicandogli il consumo di energia del veicolo, in modo daconsentire una condotta più economica.

Tale funzionalità si implementa attraverso il monitoraggio e l’analisi dei dati relativi aiconsumi energetici delle varie utenze di bordo ovvero:

Energia assorbita complessivamente da tutte le unità di trazione Energia recuperata complessivamente da tutte le unità di trazione

Le energie sono calcolate dalle centraline TCMS in funzione dei dati provenienti dagliEnergy Meter (via Ethernet) e dalle unità di controllo di trazione (disponibili sul bus MVB).

I consumi così calcolati sono storicizzati in un database contenuto nella centralina didiagnostica del TCMS per successiva lettura e trasferimento su PC o tablet.

L’unità rileva la posizione del veicolo mediante le coordinate GPS pubblicate sul bus MVBdalla centralina DIS e le associa ai consumi di tratta memorizzati.

L’unità ospita un database con i consumi energetici previsti ed assegnati a ciascuna tratta(budget energetico).

I consumi misurati in tempo reale sono confrontati con quelli definiti nel database per latratta e viene fornita sul monitor di banco una indicazione dello scostamento per indirizzareil macchinista a una guida più efficiente.

misura e gestione dell’energia a bordo veicolo: situazione attuale...

Documents