Wireless Power Link Design for Both High-Power Inductive Coupling and Smart Metasurfaces Exploitation

As future technologies are going to be autonomous under the umbrella of the Internet of things (IoT) we can expect WPT to be the solution for intelligent devices. WPT has many industrial and medical applications both in the near-field and far-field domains. Considering the impact of WPT, this thesis is an attempt to design and realize both near-field and far-field WPT solutions for different application scenarios. A 27 MHz high frequency inductive wireless power link has been designed together with the Class-E switching inverter to compensate for the efficiency loss because of the varying weak coupling between transmitter and receiver because of their mutual misalignment. Then a system of three coils was introduced for SWIPT. The outer coil for WPT and the inner two coils were designed to fulfil the purpose of communication and testing, operating at frequencies different from the WPT coil. In addition to that, a trapping filter technique has also been adopted to ensure the EM isolation of the coils. Moreover, a split ring resonator-based dual polarization converter has been designed with good efficiency over a wide frequency range. The gap or cuts have been introduced in the adjacent sides of the square ring to make it a dual-polarization converter. The converter is also stable over a wide range of incident angles. Furthermore, a meta-element based intelligent surface has been designed to work in the reflection mode at 5 GHz. In this research activity, interdigital capacitors (IDCs) instead of ICs are introduced and a thin layer of the HfZrO between substrate and meta elements is placed whose response can be tuned and controlled with the applied voltage to achieve IRS.

Multi-phase electric drives for mobility

Multi-phase electrical drives are potential candidates for the employment in innovative electric vehicle powertrains, in response to the request for high efficiency and reliability of this type of application. In addition to the multi-phase technology, in the last decades also, multilevel technology has been developed. These two technologies are somewhat complementary since both allow increasing the power rating of the system without increasing the current and voltage ratings of the single power switches of the inverter. In this thesis, some different topics concerning the inverter, the motor and the fault diagnosis of an electric vehicle powertrain are addressed. In particular, the attention is focused on multi-phase and multilevel technologies and their potential advantages with respect to traditional technologies. First of all, the mathematical models of two multi-phase machines, a five-phase induction machine and an asymmetrical six-phase permanent magnet synchronous machines are developed using the Vector Space Decomposition approach. Then, a new modulation technique for multi-phase multilevel T-type inverters, which solves the voltage balancing problem of the DC-link capacitors, ensuring flexible management of the capacitor voltages, is developed. The technique is based on the proper selection of the zero-sequence component of the modulating signals. Subsequently, a diagnostic technique for detecting the state of health of the rotor magnets in a six-phase permanent magnet synchronous machine is established. The technique is based on analysing the electromotive force induced in the stator windings by the rotor magnets. Furthermore, an innovative algorithm able to extend the linear modulation region for five-phase inverters, taking advantage of the multiple degrees of freedom available in multi-phase systems is presented. Finally, the mathematical model of an eighteen-phase squirrel cage induction motor is defined. This activity aims to develop a motor drive able to change the number of poles of the machine during the machine operation.

High performance battery chargers for full electric and hybrid cars

This Doctoral Thesis aims to study and develop advanced and high-efficient battery chargers for full electric and plug-in electric cars. The document is strictly industry-oriented and relies on automotive standards and regulations. In the first part a general overview about wireless power transfer battery chargers (WPTBCs) and a deep investigation about international standards are carried out. Then, due to the highly increasing attention given to WPTBCs by the automotive industry and considering the need of minimizing weight, size and number of components this work focuses on those architectures that realize a single stage for on-board power conversion avoiding the implementation of the DC/DC converter upstream the battery. Based on the results of the state-of-the-art, the following sections focus on two stages of the architecture: the resonant tank and the primary DC/AC inverter. To reach the maximum transfer efficiency while minimizing weight and size of the vehicle assembly a coordinated system level design procedure for resonant tank along with an innovative control algorithm for the DC/AC primary inverter is proposed. The presented solutions are generalized and adapted for the best trade-off topologies of compensation networks: Series-Series and Series-Parallel. To assess the effectiveness of the above-mentioned objectives, validation and testing are performed through a simulation environment, while experimental test benches are carried out by the collaboration of Delft University of Technology (TU Delft).

Analysis and improvements of four-wire power converters for electric vehicle chargers

A robust and well-distributed backbone charging network is the priority to ensure widespread electrification of road transport, providing a driving experience similar to that of internal combustion engine vehicles. International standards set multiple technical targets for on-board and off-board electric vehicle chargers; output voltage levels, harmonic emissions, and isolation requirements strongly influence the design of power converters. Additionally, smart-grid services such as vehicle-to-grid and vehicle-to-vehicle require the implementation of bi-directional stages that inevitably increase system complexity and component count. To face these design challenges, the present thesis provides a rigorous analysis of four-leg and split-capacitor three-phase four-wire active front-end topologies focusing on the harmonic description under different modulation techniques and conditions. The resulting analytical formulation paves the way for converter performance improvements while maintaining regulatory constraints and technical requirements under control. Specifically, split-capacitor inverter current ripple was characterized as providing closed-form formulations valid for every sub-case ranging from synchronous to interleaved PWM. Outcomes are the base for a novel variable switching PWM technique capable of mediating harmonic content limitation and switching loss reduction. A similar analysis is proposed for four-leg inverters with a broad range of continuous and discontinuous PWM modulations. The general superiority of discontinuous PWM modulation in reducing switching losses and limiting harmonic emission was demonstrated. Developments are realized through a parametric description of the neutral wire inductor. Finally, a novel class of integrated isolated converter topologies is proposed aiming at the neutral wire delivery without employing extra switching components rather than the one already available in typical three-phase inverter and dual-active-bridge back-to-back configurations. The fourth leg was integrated inside the dual-active-bridge input bridge providing relevant component count savings. A novel modified single-phase-shift modulation technique was developed to ensure a seamless transition between working conditions like voltage level and power factor. Several simulations and experiments validate the outcomes.

Dimensionamento dei lotti economici di produzione nel settore delle lavorazioni meccaniche: il caso Bonfiglioli Riduttori S.p.A.

Il presente elaborato si propone di studiare una soluzione ottimale per il dimensionamento di lotti economici di produzione nel settore lavorazioni meccaniche: il caso è stato studiato presso l’azienda Bonfiglioli Riduttori S.p.A all’interno del plant EVO, situato a Calderara di Reno (BO). Bonfiglioli Riduttori S.p.A è un’azienda che opera a livello globale occupandosi dell’intero ciclo di progettazione, produzione e distribuzione di una gamma completa di motoriduttori, dispositivi di azionamento, riduttori epicicloidali ed inverter. Il plant EVO è composto da due aree, produzione e assemblaggio, tra i quali è presente un magazzino che funge da buffer interoperazionale, contenente tutti i componenti necessari per il montaggio dei riduttori. L’obiettivo che ci si è posti è stato quello di trovare il lotto economico di produzione che fosse in grado di minimizzare i costi di gestione delle scorte ed i costi di set up della produzione, garantendo che non vi fossero rotture di stock, ossia mancanza di materiale con corrispondenti fermi macchina nel reparto assemblaggio. Ci si è concentrati sul ciclo di lavoro di uno dei componenti principali del riduttore, le corone in acciaio, e sono stati analizzati i seguenti modelli: i modelli di gestione tradizionale delle scorte, quali il modello del Lotto Economico di Acquisto (EOQ) ed il modello del Lotto Economico di Produzione (EMQ) ed il modello di gestione integrata delle scorte, noto come Consignment Stock. Studiando i risultati ottenuti è emerso che la soluzione ideale che verrà implementata a partire dai prossimi mesi è quella ibrida, ossia per i codici caratterizzati da bassi volumi si procede con i lotti calcolati attraverso il Consignment stock, caratterizzati da lotti con volumi elevati che comportano pochi set up, mentre per i codici alto rotanti si è cercato di aumentare il più possibile il numero di set up per abbassare il volume di ogni lotto e di conseguenza i costi di giacenza a magazzino.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.

Convertitori elettronici di potenza ad alta frequenza di commutazione con isolamento galvanico

L’importanza sempre crescente dell’elettronica è accompagnata da una crescente necessità di compattezza ed efficienza energetica. Una parte sostanziale del costo e delle dimensioni dei moderni dispositivi elettronici è legata ai sistemi di conversione di potenza, il cui volume è dominato dai passivi. Per poter affrontare la miniaturizzazione dei circuiti elettronici di potenza sono dunque necessari metodi di design e tecnologie che permettano di ridurre i requisiti di immagazzinamento di energia. Un possibile approccio è aumentare la frequenza di commutazione nel range delle decine di MHz facendo in modo che l’efficienza non venga penalizzata dall’aumento delle perdite in commutazione. Ciò è reso possibile dall’impiego di topologie di convertitori risonanti che implementano la condizione ZVS. Oltre all’impiego di convertitori risonanti, l’aumento della frequenza operativa, mantenendo elevata l’efficienza, è abilitato dall’impiego di dispositivi a semiconduttore a largo band-gap come il nitruro di gallio (GaN), i quali mostrano performance superiori al silicio in termini di temperature operative, frequenze di funzionamento e densità di potenza. Inoltre, ad elevate frequenze di commutazione, l’utilizzo di magnetici coreless diventa una valida alterativa ai magnetici tradizionali, con vantaggi in termini di costo, ingombro e di efficienza. Il focus di questa tesi è il progetto di un convertitore DC-DC risonante con isolamento coreless ad alta efficienza e ad alta frequenza in tecnologia GaN a 650 V pensato per applicazioni wall-adapter. A seguito dello studio di alcune topologie di inverter risonanti e dei rispettivi rettificatori, si è scelta la topologia phi2 per il design del convertitore DC-DC double phi2 isolato (simulato con LTspice). È stato poi effettuato il design di un trasformatore coreless su PCB tramite simulatore elettromagnetico (ADS Keysight Momentum). Il convertitore complessivo presenta un’efficienza del 95,8% con una efficienza del link del 98%.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Lifetime Modeling of SiC Power Modules in Automotive Traction Inverters

This thesis presents a model-based software implementation for the estimation of the damage of a power module inside and automotive traction inverter with few hardware test setup performed to support the simulation with real-life data.

Fotovoltaico di I^ e II^ generazione: differenze tecniche e vantaggi di installazione. Studio di un caso mediante software PVSyst

Le energie rinnovabili rappresentano il presente e allo stesso tempo il futuro della produzione elettrica mondiale. Produrre sempre più energia da fonti rinnovabili è una necessità condivisa da tutti i Paesi del mondo per cercare di dare un freno agli evidenti problemi climatici e alle continue minacce subite dall’ecosistema, che stanno condizionando il pianeta negli ultimi anni. Nel corso di questo elaborato ci si è concentrati soprattutto sul fotovoltaico, che a differenza delle altre fonti, essendo alimentato dall’energia solare è ben distribuito in quasi tutto il pianeta e nel corso degli ultimi anni ha avuto una crescita e una diffusione esponenziali in Italia e nel resto del mondo. La sempre crescente innovazione nel campo dei materiali utilizzati, permette ad oggi una maggiore scelta della tipologia di pannello da installare, sulla base dei vari fattori che possono influenzarne efficienza e rendimento. L’obiettivo finale è quello di avere tutti i dati necessari per effettuare l’analisi e il confronto tra le simulazioni di funzionamento di diverse tipologie di fotovoltaico, valutandone, oltre all’aspetto tecnico, anche la convenienza e i vantaggi in termini di rendimento. Durante lo sviluppo della tesi, le simulazioni sono state condotte prendendo come riferimento un capannone industriale ubicato nella stazione ferroviaria di Bologna Interporto, analizzando poi i dati mediante l’ausilio del software PVSyst. per confrontare i dati e i risultati ottenuti all’interno di un resoconto che evidenzi le maggiori differenze e la soluzione più vantaggiosa in termini di rendimento.

Metodologie di progettazione di impianti fotovoltaici con sistema di accumulo: applicazione su uno scenario reale

Il presente elaborato di tesi si pone come obiettivo lo studio dei criteri di progettazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete con sistema di accumulo. In primo luogo, è stato introdotto il tema dell’energia rinnovabile, in particolare l’energia solare descrivendo e definendone le caratteristiche. In seguito, è stato descritto dettagliatamente l’effetto fotovoltaico e lo stato dell’arte relativo alla tecnologia fotovoltaica e tipologie di impianto. Si procede con lo studio dello scenario reale, la progettazione e il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, effettuata con l’ausilio di PVGIS Tool, SUNNYDESIGN e Microsoft Excel. In questa fase si scelgono i dispositivi principali, quali pannelli, inverter e sistema di accumulo in funzione delle caratteristiche del sito di installazione, che nel nostro caso è uno stabile adibito ad ufficio sito a Bologna in cui è possibile installare un impianto la cui taglia è di 20.8 kWp. In seguito, è presente lo studio della producibilità energetica pari a 30190 kWh/anno, nella quale è definito e calcolato l’autoconsumo dell’impianto tramite fogli di calcolo Excel. Segue l’introduzione alle normative, che definiscono lo stato dell’arte degli impianti fotovoltaici e il collegamento in BT (CEI 0-21, 64-8), e la progettazione elettrica, con l’utilizzo di AutoCAD, dell’impianto elettrico di collegamento in BT alla rete di distribuzione con allacciamento alla rete. Infine, l’elaborato si conclude con l’analisi economica dell’impianto con e senza sistema di accumulo, nella quale viene calcolato, tramite foglio Excel, il PayBackTime pari a 5.08 anni nel primo caso e 4.17 nel secondo, il risparmio energetico cumulativo nei 25 anni di esercizio previsti dell’impianto che è di 447.7 k€ per la prima tipologia di impianto e di 437.45 k€ per la seconda ed in conclusione i flussi di cassa durante lo stesso periodo che sono di 294.93 k€ per l’impianto fotovoltaico con accumulo e di 320.58 k€ per quello senza sistema di accumulo.

Development and Automatization of a Planar Jet Wind Tunnel for the X-wire Calibration

The scope of this study is to design an automatic control system and create an automatic x-wire calibrator for a facility named Plane Air Tunnel; whose exit creates planar jet flow. The controlling power state as well as automatic speed adjustment of the inverter has been achieved. Thus, the wind tunnel can be run with respect to any desired speed and the x-wire can automatically be calibrated at that speed. To achieve that, VI programming using the LabView environment was learned, to acquire the pressure and temperature, and to calculate the velocity based on the acquisition data thanks to a pitot-static tube. Furthermore, communication with the inverter to give the commands for power on/off and speed control was also done using the LabView VI coding environment. The connection of the computer to the inverter was achieved by the proper cabling using DAQmx Analog/Digital (A/D) input/output (I/O). Moreover, the pressure profile along the streamwise direction of the plane air tunnel was studied. Pressure tappings and a multichannel pressure scanner were used to acquire the pressure values at different locations. Thanks to that, the aerodynamic efficiency of the contraction ratio was observed, and the pressure behavior was related to the velocity at the exit section. Furthermore, the control of the speed was accomplished by implementing a closed-loop PI controller on the LabView environment with and without using a pitot-static tube thanks to the pressure behavior information. The responses of the two controllers were analyzed and commented on by giving suggestions. In addition, hot wire experiments were performed to calibrate automatically and investigate the velocity profile of a turbulent planar jet. To be able to analyze the results, the physics of turbulent planar jet flow was studied. The fundamental terms, the methods used in the derivation of the equations, velocity profile, shear stress behavior, and the effect of vorticity were reviewed.

La stima dell'inerzia nelle reti elettriche

Negli ultimi anni, la rete elettrica ha subito importanti cambiamenti dovuti principalmente al fatto che vi è stato un sensibile sviluppo di impianti di produzione da fonti rinnovabili. Questo aspetto ha però influenzato in modo considerevole il funzionamento della rete ed in particolare la risposta inerziale che essa ha a fronte di uno squilibrio della potenza attiva. In particolare, nella rete si è registrata una importante riduzione dell’inerzia disponibile in quanto molte delle fonti rinnovabili attualmente installate sono connesse tramite inverter, macchine statiche, che non sono in grado di fornire alcuna risposta inerziale in modo intrinseco. Si sta perciò rendendo sempre più necessario possedere degli strumenti volti a fornire una stima dell’inerzia a disposizione della rete, in modo tale da facilitare e migliorare la gestione del Sistema Elettrico. In tale contesto, in questa tesi ci si è concentrati sulla realizzazione di un modello EMTP della rete di distribuzione benchmark europea Cigrè, che permettesse di includere tutte le caratteristiche dinamiche della rete, dei generatori di produzione e in particolare, ci si è soffermati sulla modellizzazione dei carichi, eseguendo un’analisi e un confronto sulle possibili modalità di modellizzazione dei carichi in forma aggregata. Nella seconda parte, sono stati poi sviluppati degli algoritmi che permettessero dai dati raccolti attraverso le simulazioni di ricavare il valore della costante d’inerzia nei differenti scenari.

Progettazione e analisi di impianti fotovoltaici in bassa tensione e autoconsumo collettivo

La tesi si propone di fornire un’analisi degli impianti fotovoltaici in bassa tensione sia dal punto di vista progettuale che economico e analizzare il recente schema di autoconsumo collettivo. La tesi prevede l’analisi di tre progetti differenti. Il primo riguarda la progettazione di un impianto residenziale di piccola taglia che si trova ad affrontare le problematiche causate dagli ombreggiamenti generati dai camini, comportando l’utilizzo di ottimizzatori. Viene discussa la pratica di connessione in iter semplificato e viene effettuata un’analisi economica riguardante la convenienza dell’installazione dell’impianto, della convenienza del sistema di accumulo e degli ottimizzatori in tre scenari di costo dell’energia differenti. Il secondo riguarda la progettazione di un impianto residenziale di piccola taglia con ridotto ombreggiamento. Viene discussa la pratica di connessione in iter ordinario e viene effettuata un’analisi economica riguardante la convenienza dell’installazione dell’impianto e della convenienza del sistema di accumulo suddividendo i consumi dell’utente nelle fasce di consumo e considerando una tariffa bioraria. L’ultimo progetto riguarda un impianto condominiale nello schema di autoconsumo collettivo. Vengono discussi i risultati della progettazione eseguita con il software SOLergo e in particolare viene mostrato il calcolo del carico vento secondo la normativa NTC 2018 e viene effettuata la verifica a ribaltamento per controllare la stabilità del sistema. Successivamente viene effettuata un’analisi dettagliata degli ombreggiamenti su PVsyst attraverso la realizzazione tridimensionale del condominio. Viene poi analizzato lo schema dell’autoconsumo collettivo per poi effettuare un’analisi economica complessiva con l’obiettivo di analizzare l’influenza degli incentivi presenti, in particolare per l’autoconsumo collettivo e valutare se l’installazione del sistema di accumulo risulti conveniente per i condomini.

Analisi di fattibilità dello spostamento di un’isola produttiva nel contesto di un re-layout di stabilimento: il caso Bonfiglioli S.p.A.

Lo stabilimento forlivese di Bonfiglioli S.p.A., centrale nella produzione di riduttori epicicloidali per macchine mobili, escavatori, turbine eoliche e mobilità elettrica, è un elemento fondamentale per il successo dell’azienda che da anni è leader di mercato nella produzione di motoriduttori, azionamenti e inverter per numerosi settori. Questo fa sì che tale impianto sia da tempo oggetto di importanti investimenti per incrementare la produttività, migliorare la logistica interna, soddisfare standard di sicurezza e qualità di prodotto e di processo sempre più alti. Il presente elaborato si inserisce tra le attività di efficientamento dei flussi logistici di stabilimento e punta a valutare la possibilità di ricollocamento di un’isola robotizzata per montaggio di kit planetario all’interno del macro-reparto di assemblaggio, in previsione di investimenti attuali e futuri che ridisegneranno lo scenario produttivo interno. Per valutare la convenienza di spostamento è stata eseguita un’analisi costi-benefici, confrontando l’ubicazione attuale e un’alternativa possibile, condivisa con i responsabili dell’ente di ingegneria di processo, prendendo in esame i vantaggi che questa seconda porterebbe. È inoltre stato fatto un primo dimensionamento di massima (e cautelativo) per un’eventuale creazione di un supermarket per i kit montati dalla cella in esame. Scopo principale dell’elaborato oltre a quello di mettere in luce i miglioramenti possibili dei flussi logistici interni grazie allo spostamento di tale isola, è anche quello di portare una metodologia di analisi che possa poi essere riutilizzata e migliorata per progetti di relayout futuri a più ampio respiro, in un’ottica sempre più “Lean”.