Design of alternative energy storage systems for hybrid vehicles based on statistical processing of driving cycles information

Hybrid vehicles represent the future for automakers, since they allow to improve the fuel economy and to reduce the pollutant emissions. A key component of the hybrid powertrain is the Energy Storage System, that determines the ability of the vehicle to store and reuse energy. Though electrified Energy Storage Systems (ESS), based on batteries and ultracapacitors, are a proven technology, Alternative Energy Storage Systems (AESS), based on mechanical, hydraulic and pneumatic devices, are gaining interest because they give the possibility of realizing low-cost mild-hybrid vehicles. Currently, most literature of design methodologies focuses on electric ESS, which are not suitable for AESS design. In this contest, The Ohio State University has developed an Alternative Energy Storage System design methodology. This work focuses on the development of driving cycle analysis methodology that is a key component of Alternative Energy Storage System design procedure. The proposed methodology is based on a statistical approach to analyzing driving schedules that represent the vehicle typical use. Driving data are broken up into power events sequence, namely traction and braking events, and for each of them, energy-related and dynamic metrics are calculated. By means of a clustering process and statistical synthesis methods, statistically-relevant metrics are determined. These metrics define cycle representative braking events. By using these events as inputs for the Alternative Energy Storage System design methodology, different system designs are obtained. Each of them is characterized by attributes, namely system volume and weight. In the last part the work, the designs are evaluated in simulation by introducing and calculating a metric related to the energy conversion efficiency. Finally, the designs are compared accounting for attributes and efficiency values. In order to automate the driving data extraction and synthesis process, a specific script Matlab based has been developed. Results show that the driving cycle analysis methodology, based on the statistical approach, allows to extract and synthesize cycle representative data. The designs based on cycle statistically-relevant metrics are properly sized and have satisfying efficiency values with respect to the expectations. An exception is the design based on the cycle worst-case scenario, corresponding to same approach adopted by the conventional electric ESS design methodologies. In this case, a heavy system with poor efficiency is produced. The proposed new methodology seems to be a valid and consistent support for Alternative Energy Storage System design.

Monitoraggio di un dispositivo a breve raggio: uno studio di fattibilità.

Il contesto generale nel quale è inserito tale elaborato di tesi è la tecnologia RFID; se ne fa una disamina completa, partendo dalla ricostruzione delle tappe storiche che hanno portato alla sua diffusione. Viene data particolare enfasi alle differenze esistenti tra le varie tipologie, alle frequenze a cui possono operare i dispositivi e agli standard legislativi vigenti. Vengono enunciati inoltre i costi dei dispositivi e le critiche verso la tecnologia. L'obiettivo della tesi è quello di valutare la possibilità di realizzare un meccanismo di monitoraggio a breve raggio di dispositivi dotati di rfid: per questo la visione che si da della tecnologia è il più completa possibile. La prerogativa di lunga durata richiesta dal sistema ha portato a valutare se potesse essere utile integrare un meccanismo di recupero energia; per questo si prosegue con una disamina dell'energy harvesting, fornendo dettagli su tutte le fonti da cui è possibile recuperare energia e casi pratici di meccanismi realizzati, sia che questi siano già presenti sul mercato, sia che siano solo risultati di ricerche e prototipi. Si conclude quindi il lavoro valutando le effettive possibilità di realizzazione del sistema, evidenziando le scelte consigliate per una migliore esecuzione.

Circuiti per la conversione di micro potenze da gradienti termici ambientali

In questa tesi vengono analizzati alcuni schemi circuitali di convertitori di micro potenze da generatori termoelettrici sottoposti a gradienti di temperatura limitati. I circuiti, basati su oscillatori step-up in grado di innescarsi con tensioni di alimentazione estremamente basse, sono stati analizzati dal punto di vista teorico e mediante successive simulazioni circuitali. Le potenze ottenibili con gradienti di temperatura inferiori a 10K risultano tipicamente comprese tra qualche uW e qualche decina di uW, con efficienze fino a circa il 40%.

Progetto di un sistema a microcontrollore per il controllo di uno shaker elettrodinamico

In questa tesi viene illustrato il progetto di un sistema di controllo per uno shaker elettrodinamico. L'architettura è basata su sistemi a microcontrollore Microchip PIC e implementa un controllo in retroazione al fine di ottenere una elevata precisione nell'ampiezza dell'oscillazione. Un prototipo del sistema è stato implementato con componenti commerciali. Vengono presentati i risultati del test funzionale dei sotto-circuiti realizzati.

Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza

Nel presente elaborato è trattato l'innesco di un sistema di recupero ambientale di energia da sorgenti a radiofrequenza, captate tramite rectenna, nell'ambito di un sistema completamente autonomo dal punto di vista energetico, quindi non dotato di batteria ricaricabile interna. Dopo un'analisi dei problemi da affrontare e delle possibili soluzioni tecniche per gestire le micropotenze restituite dalla rectenna, ci si concentra in modo preferenziale sul ruolo del condensatore posto sulla porta d'ingresso dell'oscillatore di Meissner, che è utilizzato come elevatore di tensione per attivare gli stadi successivi. Sfruttando le esperienze con lo stesso oscillatore pilotato da altri sensori di energy harvesting, è possibile determinare approssimativamente se il circuito si presta o meno all'utilizzo con le rectenne nei campi RF, suggerendo eventuali migliorie da apportare per facilitarne il funzionamento.

Progetto di un'interfaccia utente per la gestione e memorizzazione di forme d'onda mediante microcontrollore

L'energy harvesting è un processo in cui l'energia ambientale comunemente disponibile viene catturata mediante opportuni trasduttori e circuiti elettronici per essere convertita in energia elettrica utilizzabile. Il progetto descritto sarà una estensione ed integrazione di un sistema già esistente, per la riproduzione attraverso un sistema elettrodinamico vibrante (shaker), di vibrazioni acquisite dall'ambiente circostante in situazioni di riferimento tipiche (esempio le vibrazioni prodotte da un veicolo in movimento o un uomo in corsa), al fine di caratterizzare trasduttori piezoelettrici per studiarne il funzionamento, le caratteristiche e il loro comportamento. Lo scopo finale è quello di realizzare un sistema stand-alone che sia in grado di riprodurre e controllare in maniera affidabile le vibrazioni imposte da un sistema vibrante, al fine di realizzare un sistema di caratterizzazione per dispositivi di energy harvesting vibrazionale. In questo progetto, l’intera gestione del processo viene affidata ad un microcontrollore presente sulla scheda di controllo, il quale consente in tempo reale la visualizzazione delle forme d’onda oggetto di studio mediante un display grafico, l’elaborazione dei dati presenti nel sistema nonché la possibilità di caricare e salvare dei dati significativi sulla memoria del sistema durante le fasi di testing. Le caratteristiche implementate rendono il sistema facile da usare. Successivamente verranno descritte le specifiche tecniche necessariamente da rispettare per la realizzazione di un sistema che permetta di riprodurre e fornire dati attendibili, la struttura di visualizzazione grafica del sistema, la parte di condizionamento del segnale e i principi teorici del controllo ad anello chiuso.

Progetto elettromagnetico di antenne per tag eco-compatibili a banda ultra-larga

Questo lavoro si è occupato della ricerca e progettazione di un'antenna UWB per la realizzazione di un tag RFID e si colloca all'interno del progetto GRETA (GREen TAgs), finanziato dal MIUR. Le principali caratteristiche richieste al green tag sono: dimensioni complessive di massimo 4-5 cm, assenza di batterie e compatibilità con l'ambiente. L'eco-compatibilità viene garantita tramite la realizzazione dell'antenna al di sopra di un substrato di carta; i limiti derivanti dall'assenza di batterie vengono invece sopperiti tramite realizzazione di energy harvesting, al fine di raggiungere una completa autonomia energetica. Viene sfruttata la tecnica UWB per la comunicazione nella banda (3.1-4.8 GHz); l'energy harvesting si effettua invece a 868 MHz. Sono infine stati ricavati alcuni primi risultati relativi alla potenza rettificabile con la soluzione proposta, tramite realizzazione di un opportuno circuito rettificatore.

Caratterizzazione di un circuito per l'estrazione di carica sincrona da trasduttori piezoelettrici

L'elaborato di tesi tratta la caratterizzazione del rendimento di un circuito convertitore di energia elettrica in energia meccanica. La conversione viene svolta con una procedura più complessa, ma più efficiente rispetto alla conversione classica. Il circuito studiato è soggetto alle problematiche legate all'energy harvesting, tuttavia ha il vantaggio di non necessitare di alimentazione esterna.

Implementazione di un circuito estrattore di carica quasi-sincrono da trasduttori piezoelettrici

La tecnologia odierna, orientata sempre di più verso il “low-power”, ha permesso di poter sviluppare sistemi elettronici in grado di autoalimentarsi senza alcun bisogno di sorgenti di energia tradizionali. Questo è possibile, ad esempio, utilizzando trasduttori piezoelettrici, in grado di trasformare l’energia meccanica, provocata ad esempio da una vibrazione, in un’altra forma di energia che, in tal caso, risulta essere una grandezza elettrica. Il settore principale in cui viene impiegato questo componente è quello dell’Energy Harvesting, ovvero un campo dell’elettronica in cui si cerca di estrarre dall'ambiente circostante bassissime quantità di energia mediante tecniche opportune, cercando di ridurre i consumi dei circuiti di controllo annessi e renderli, in maggior parte, il più possibile autosufficienti. L’obiettivo è quello di implementare alcune tecniche di recupero dell’energia mediante circuiti gestiti a microcontrollore e valutare se tali metodiche portino a risultati accettabili in grado di soddisfare quelli che sono i requisiti che il mondo dell’Energy Harvesting richiede.

Caratterizzazione energetica di sistemi a microcontrollore basati su tecnologia fram

In questo elaborato si riporta la caratterizzazione energetica di un sistema a microcontrollore basato su tecnologia FRAM. Sono state analizzate le innovazioni e i vantaggi portati dall'introduzione della memoria FRAM, le migliori configurazioni di funzionamento del microcontrollore studiato al fine di raggiungere consumi energetici di sistema il più basso possibile.

Caratterizzazione sperimentale di trasduttori piezoelettrici mediante circuiti equivalenti elettromeccanici

Attualmente la costante diffusione delle sensor network e lo sviluppo di apparati elettronici a basso consumo di energia hanno fatto in modo di motivare la ricerca nel campo dell’elettronica che tenta di spiegare il concetto dell'energy harvesting per raccogliere energia dall'ambiente circostante. I sistemi che raccolgono quella energia che normalmente va persa sono di diversi tipi.

Progettazione, caratterizzazione e calibrazione di un sensore di tensione contactless per smart metering

Progettazione di un sistema di misura contactless per la tensione, da integrare in un nodo sensore di una Wireless Sensor Network per Smart Metering Distribuito

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per rilevazione del movimento

Negli ultimi anni il tema del risparmio energetico nei sistemi elettronici ha suscitato sempre maggiore interesse, poiché grazie allo sviluppo tecnologico è stato possibile creare dispositivi in grado di operare a bassa potenza. Sempre più applicazioni elettroniche richiedono di funzionare tramite fonti di energia limitata, come per esempio le batterie, con un’autonomia in alcuni casi anche di 15-20 anni, questo è il motivo per il quale è diventato fondamentale riuscire a progettare sistemi elettronici in grado di gestire in modo intelligente l’energia a disposizione. L’utilizzo di batterie però spesso richiede costi aggiuntivi, come per esempio il semplice cambio, che in alcune situazioni potrebbe essere difficoltoso poiché il sistema elettronico si potrebbe trovare in luoghi difficilmente raggiungibili dall’uomo; ecco perché negli ultimi anni il tema della raccolta di energia o anche chiamato Energy Harvesting, sta suscitando sempre più interesse. Con l’Energy Harvesting si possono catturare ed accumulare per poi riutilizzare, piccole quantità di energia presenti nell’ambiente. Attraverso sistemi di Energy Harvesting è quindi diventato possibile trasformare energia cinetica, differenze di temperatura, effetto piezoelettrico, energia solare ecc.. in energia elettrica che può essere utilizzata per alimentare semplici applicazioni elettroniche, nel caso di questa tesi un nodo sensore wireless. I vantaggi dei sistemi di Energy Harvesting rispetto a sistemi alimentati a batteria sono i seguenti: - Costi di manutenzione ridotti; - Fonte di energia idealmente inesauribile e con un impatto ambientale negativo nullo. La potenza fornita da sistemi di Energy Harvesting si aggira intorno a qualche centinaia di uW, perciò è chiaro che il sistema da alimentare deve essere ottimizzato il più possibile dal punto di vista energetico, per questo motivo il progettista si deve impegnare per evitare qualsiasi spreco energetico e dovrà utilizzare dispositivi che permettono una gestione intelligente dell’energia a disposizione, al fine di ottenere la migliore efficienza possibile.

Dimensionamento di un sistema wireless epidermico energeticamente autonomo per il monitoraggio di parametri fisiologici

Il presente lavoro di Tesi è stato incentrato sul dimensionamento di un sistema wireless epidermico abile a monitorare parametri fisiologici. La fase iniziale del lavoro è stata spesa per indagare le varie tipologie di sorgenti utili ad effettuare Energy Harvesting in contesti applicativi biomedicali, ed analizzare lo stato dell’arte in merito ai sistemi miniaturizzati, passivi, interfacciabili alla superficie corporea, configurabili nel settore di ricerca e-skin. Il corpo centrale del lavoro è stato quello di dimensionare un nuovo sistema wireless epidermico, energeticamente autonomo. Tale sistema è stato strutturato in tre catene costitutive. La prima di queste definita di Energy Harvesting e storage, presenta una cella solare, un boost converter –charger per il management della potenza ed una thin film battery come elemento di storage. La seconda catena è configurabile come quella di ricezione, in cui l’elemento cruciale è una Wake-Up Radio (WUR), la cui funzione è quella di abilitare il sistema di misura costituito da Microcontroller e sensore solo quando un Reader comunicherà la corretta sequenza di bit abilitanti alla lettura. La presente scelta ha mostrato vantaggi in termini di ridotti consumi. La terza ed ultima catena del sistema per mezzo di Microcontrollore e Transceiver consentirà di trasmettere via RF il dato letto al Reader. Una interfaccia grafica utente implementata in Matlab è stata ideata per la gestione dei dati. La sezione ultima della Tesi è stata impostata analizzando i possibili sviluppi futuri da seguire, in particolare integrare il sistema completo utilizzando un substrato flessibile così come il Kapton e dotare il sistema di sensoristica per misure biomediche specialistiche per esempio la misura del SpO2.