ANALISI DINAMICA E STRATEGIE DI CONTROLLO PER UN SISTEMA DI PROPULSIONE NAVALE IBRIDO FUEL CELL/BATTERIA

Abstract

Il lavoro studia il comportamento dinamico di un impianto di propulsione navale ibrido composto da tre moduli a celle a combustibile PEM, da una batteria agli ioni di litio e da due motori asincroni da 545 kW, affacciati su un bus in corrente continua a 700 V. Il caso studio è il traghetto passeggeri NoEmi, destinato al servizio nell’Area Marina Protetta delle Cinque Terre, il cui dimensionamento stazionario era già disponibile mentre ne mancava la verifica in transitorio.

È stato costruito in ambiente Simulink un modello completo dell’impianto, che comprende la resistenza all’avanzo dello scafo, l’elica descritta con la formulazione a quattro quadranti della serie di Wageningen, la linea d’asse con il riduttore, l’azionamento asincrono con controllo ad orientamento di campo, lo stack con la relativa curva di polarizzazione, l’alimentazione dell’aria e dell’idrogeno, i convertitori e il sistema di gestione dell’energia.

Sono state simulate cinque manovre: una salita e discesa graduale sull’intera scala del telegrafo, due accelerazioni brusche a metà e a tutta forza e i due corrispondenti arresti di emergenza. I risultati mostrano che la tensione di bus resta entro la fascia ammessa del dieci per cento in tutte le condizioni e che la ripartizione del carico fra celle e accumulo è governata dal limite di salita della corrente di stack, imposto per evitare l’impoverimento di ossigeno al catodo. La batteria interviene nei soli transitori in cui la richiesta cresce più rapidamente di quanto le celle riescano a seguire, e il margine di corrente delle celle si riduce al tre per cento nello scatto a tutta forza. Il lavoro individua infine nella prontezza del gruppo di alimentazione dell’aria il parametro che condiziona il dimensionamento dell’accumulo.

This work investigates the dynamic behaviour of a hybrid marine propulsion plant made up of three PEM fuel cell modules, a lithium-ion battery and two 545 kW induction motors, all connected to a 700 V direct current bus. The case study is the passenger ferry NoEmi, intended for service in the Cinque Terre Marine Protected Area, whose steady-state sizing was already available while its transient verification was still missing.

A complete model of the plant was built in Simulink, covering hull resistance, the propeller described through the four-quadrant formulation of the Wageningen series, the shaft line with its gearbox, the induction drive with field-oriented control, the stack with its polarisation curve, the air and hydrogen supply, the converters and the power management system.

Five manoeuvres were simulated: a gradual run up and down the whole telegraph scale, two abrupt accelerations to half and full ahead, and the two corresponding crash stops. The results show that the bus voltage stays within the admitted ten per cent band under all conditions, and that the split of the load between cells and storage is governed by the ramp limit on stack current, imposed to prevent oxygen starvation at the cathode. The battery steps in only during those transients in which demand grows faster than the cells can follow, and the cell current margin falls to three per cent during the full-ahead step. The study finally identifies the responsiveness of the air supply unit as the parameter that drives the sizing of the storage.