Argomenti di Tesi

L’attività di ricerca mira a investigare la possibilità di utilizzare convertitori multilevel, come il Cascaded H-Bridge (CHB), il Modular Multilevel Converter (MMC) o strutture multilevel riconfigurabili, per sostituire l’inverter convenzionale a due livelli nell’interfacciamento in rete dei BESS.
La motivazione principale riguarda la possibilità di suddividere le celle del pacco batterie in gruppi più piccoli, con tensione di alimentazione ridotta, direttamente collegati alle singole celle del convertitore multilevel. Idealmente, ogni modulo è connesso a una singola cella della batteria.

I vantaggi di questa soluzione includono la possibilità di utilizzare dispositivi a semiconduttore di bassa potenza, riducendo costi e perdite; eliminare la necessità di un BMS, le cui funzioni possono essere gestite direttamente dalle singole celle del convertitore; migliorare la qualità delle forme d’onda di tensione e corrente, aumentando l’efficienza complessiva; e ridurre i volumi e i costi dei filtri e degli elementi passivi del convertitore.

Tuttavia, le complessità di tipo topologico, costruttivo e di controllo pongono sfide significative per l’implementazione di questa tecnologia nel campo automobilistico, rappresentando argomenti di ricerca altamente attuali e innovativi.

Le attività di tesi in quest’area possono includere:

• Aspetti di progettazione e costruzione legati all’ottimizzazione di topologie, dispositivi e PCB.

• Implementazione hardware di prototipi sperimentali e attività di testing.

• Sviluppo di tecniche di modulazione innovative per migliorare le prestazioni del sistema, la qualità della potenza e l’efficienza.

• Sviluppo di tecniche di controllo per la gestione lato batteria (bilanciamento della carica e scarica delle celle).

• Studio e confronto di diverse soluzioni topologiche rispetto agli standard attuali in termini di efficienza, prestazioni, volumi, peso e costi.

Le microreti DC stanno diventando una soluzione sempre più interessante nelle reti elettriche moderne. Una microrete DC è un sistema di potenza localizzato che distribuisce e gestisce energia elettrica in corrente continua (DC) tra sorgenti interconnesse (come pannelli solari, celle a combustibile e batterie) e carichi DC (come illuminazione a LED, dispositivi elettronici e caricabatterie per veicoli elettrici).
A differenza delle microreti AC tradizionali, le microreti DC eliminano le multiple conversioni AC/DC, migliorando l’efficienza, l’affidabilità e la compatibilità con le fonti rinnovabili e i sistemi di accumulo. Esse trovano crescente applicazione in aree remote, data center e edifici intelligenti, offrendo soluzioni di gestione dell’energia flessibili, resilienti ed efficienti.

Questa attività mira a sviluppare architetture innovative per l’integrazione dei sistemi di accumulo con le fonti rinnovabili (RES) all’interno delle microreti DC, esplorando topologie di conversione multistadio e/o multiporta caratterizzate da un numero minimo di componenti, alta efficienza, basso costo e sistemi di controllo ottimizzati per la gestione dei flussi di potenza, al fine di massimizzare l’estrazione di energia dalle RES e l’efficienza dell’accumulo.

Le possibili attività di tesi includono:

• Studio, progettazione e sviluppo di architetture di conversione bidirezionali multiporta e/o multistadio per l’integrazione di sistemi di accumulo e RES in microreti DC, includendo un’eventuale porta per la connessione AC, mirate alla massimizzazione dell’estrazione di potenza, dell’efficienza di conversione e accumulo, dell’affidabilità e della qualità della potenza.

• Aspetti di progettazione e costruzione dei convertitori con focus sull’ottimizzazione topologica rispetto a efficienza, costo e densità di potenza.

• Sviluppo e implementazione di sistemi di controllo per la gestione dei flussi di potenza.

• Studio e sviluppo di tecniche di modulazione e controllo innovative per l’interfacciamento tra batterie e fonti rinnovabili.

Convertitori in reti ad alta densità di elettronica di potenza

Con l’avvento delle smart grid, l’aumento della generazione distribuita e la diffusione di carichi che richiedono alimentazioni regolate, un numero sempre maggiore di convertitori elettronici di potenza viene connesso ai sistemi di distribuzione elettrica. Ciò comporta un incremento dell’immissione di armoniche nella rete, con conseguente riduzione della qualità della potenza e possibili interazioni indesiderate tra diversi convertitori.
Il problema è particolarmente critico nelle reti deboli o isolate, come le microreti o quelle presenti su navi e aeromobili. In tali contesti, i convertitori – spesso provenienti da produttori diversi – interagiscono in modo non coordinato. Sebbene siano progettati per operare singolarmente, una volta integrati nella stessa rete le loro prestazioni si degradano, causando talvolta instabilità.

L’attività di ricerca si propone di studiare soluzioni innovative per l’integrazione dei convertitori e dei sistemi in rete tramite tecniche avanzate di controllo dei flussi di potenza, che includono la stima dell’impedenza e dei parametri di rete visti dal convertitore e l’ottimizzazione delle azioni di controllo in funzione dello stato della rete e di specifiche funzioni di costo.

Le possibili attività di tesi includono:

• Studio degli effetti dei convertitori sulla stabilità di rete e modellazione del sistema.

• Sviluppo e implementazione di tecniche per la stima dell’impedenza di rete vista ai terminali dei convertitori connessi.

• Sviluppo e implementazione di tecniche di controllo ottimizzate in base al tipo e allo stato della rete in cui il convertitore è integrato.

Gli azionamenti elettrici sono al centro della mobilità elettrica, dell’automazione industriale, dell’aerospazio e della generazione da fonti rinnovabili. Le loro prestazioni dipendono da come convertitore e macchina elettrica vengono controllati insieme: risposta dinamica, efficienza, qualità della coppia, robustezza alle variazioni dei parametri e tolleranza ai guasti.

La ricerca in quest’area riguarda la modellazione e il controllo di azionamenti con macchine sincrone a magneti permanenti, macchine asincrone e macchine multifase, dal controllo vettoriale a orientamento di campo a strategie avanzate come il Model Predictive Control (MPC), il controllo sensorless e il controllo fault-tolerant, implementati su microcontrollori, DSP e FPGA.

Il PELAB dispone in laboratorio di un setup sperimentale per azionamenti elettrici, su cui le tecniche sviluppate nella tesi possono essere provate e validate su hardware reale.

Le tesi in quest’area possono riguardare, ad esempio:

• Progettazione e implementazione di strategie di controllo ad alte prestazioni (controllo a orientamento di campo, controllo diretto di coppia, MPC) per azionamenti elettrici.
• Controllo sensorless e stima online dei parametri della macchina.
• Controllo fault-tolerant di macchine multifase e convertitori.
• Implementazione digitale su piattaforme DSP e FPGA e validazione sperimentale sul setup del laboratorio.

L’intelligenza artificiale sta cambiando il modo in cui i convertitori di potenza vengono modellati, monitorati e controllati. Questa ricerca combina metodi data-driven con la fisica dell’elettronica di potenza per realizzare strumenti veloci, accurati e adatti ad applicazioni in tempo reale ed embedded.

Principali linee di ricerca:

• Stima dell’impedenza di rete: reti neurali physics-informed (PINN) e architetture LSTM che stimano l’impedenza di rete vista dal convertitore a partire dai transitori di funzionamento, per adattarne il controllo e mantenere stabile la rete.
• Stima dei parametri e digital twin: modelli a apprendimento sequenziale e physics-informed che identificano online i parametri del convertitore e creano gemelli digitali per manutenzione predittiva e valutazione dell’invecchiamento.
• Controllo basato su AI e model-free: strategie di controllo che apprendono dai dati o si adattano online, riducendo la dipendenza da un modello accurato del sistema.
• Diagnostica dei guasti e condition monitoring: reti LSTM, CNN e Convolutional-Transformer per il rilevamento e la localizzazione rapida dei guasti in convertitori con molti interruttori.

Le attività di tesi possono andare dallo sviluppo e addestramento dei modelli di AI alla loro implementazione su piattaforme embedded e alla validazione sperimentale in laboratorio.

I data center iperscalabili per l’AI sono una nuova categoria di carico elettrico. Un singolo sito può assorbire centinaia di megawatt, il suo consumo può variare rapidamente seguendo i carichi di lavoro AI, e l’intero carico è connesso alla rete tramite elettronica di potenza. Come alimentare queste strutture dalla rete è diventata una questione chiave sia per gli operatori dei data center sia per i gestori di rete.

Questa ricerca studia le architetture di alimentazione lato rete dei data center: interfacce in media tensione, raddrizzatori active front-end e PFC, sistemi UPS, trasformatori a stato solido e la nascente distribuzione in DC a 800 V, insieme ai sistemi di accumulo a batteria per supporto e peak shaving.

Le tesi in quest’area possono riguardare:

• Modellazione e progettazione degli stadi di conversione lato rete (active front-end, PFC, trasformatori a stato solido) per l’alimentazione dei data center.
• Fault ride-through (LVRT/HVRT) e conformità ai requisiti dei codici di rete per grandi carichi.
• Analisi di stabilità di reti con grandi carichi interfacciati da convertitori e interfacce grid-forming / grid-supporting per data center.
• Impatto dei carichi di lavoro AI dinamici sulla rete e mitigazione con sistemi di accumulo.
• Validazione tramite simulazione EMT e test Hardware-in-the-Loop (HIL).

Convertitori DC/DC isolati per data center, trasporti ed energia

I convertitori DC/DC isolati, come i Dual Active Bridge (DAB) e i convertitori risonanti LLC, sono componenti fondamentali in molti settori grazie all’alta efficienza, alle dimensioni compatte e all’isolamento galvanico, che garantisce un trasferimento di potenza sicuro e affidabile tra domini di tensione diversi. Sono essenziali in:

• Alimentatori per data center: per ottenere un’uscita DC in bassa tensione (ad es. 12 V o 48 V) da un tipico bus DC a 400 V o dalle nuove architetture di alimentazione DC a 800 V.
• Reti DC in media tensione (MVDC): per integrare le fonti rinnovabili, interconnettere livelli di tensione diversi e fornire isolamento galvanico migliorando l’affidabilità del sistema.
• Veicoli elettrici e ibridi (EV e HEV): per ricavare un bus DC in bassa tensione dal pacco batterie ad alta tensione.
• Altri sistemi di trasporto, come ferrovie e aerei more-electric, dove l’alta densità di potenza e l’efficienza riducono pesi e ingombri.

Le tesi in quest’area comprendono:

• Progettazione e simulazione di convertitori DAB con schemi di controllo convenzionali o innovativi.
• Progettazione e simulazione di convertitori LLC in anello aperto o con controllo di tensione.
• Tecniche di modellazione nel dominio della frequenza e del tempo per convertitori DAB e LLC.
• Valutazione dell’efficienza con metodi analitici e basati sulla simulazione.

La fusione nucleare è una tecnologia d’avanguardia in fase di sviluppo e un tema centrale per molte istituzioni accademiche e aziende nel mondo. L’Europa guida oggi l’esperimento di fusione più ambizioso, ITER, a Cadarache (Francia). L’Italia contribuisce a questo sforzo con il Divertor Tokamak Test facility (DTT) di Frascati.

In un reattore a fusione il plasma, a temperature altissime, deve essere confinato nel vuoto tramite campi magnetici generati da correnti controllate da dispositivi di elettronica di potenza: per questo questa branca dell’ingegneria è fondamentale per ottenere un confinamento stabile del plasma.

Una tesi in quest’area può riguardare la progettazione e l’ottimizzazione di un convertitore di elettronica di potenza e delle strategie di controllo necessarie a generare le correnti usate per il confinamento del plasma. In alternativa può affrontare la caratterizzazione dei sistemi elettrici dedicati al riscaldamento del plasma, come le unità di iniezione di fasci neutri o negativi. Le sfide principali non riguardano solo il controllo dei convertitori, ma anche la gestione di correnti molto elevate, che possono raggiungere decine di kA.

Un lavoro di questo tipo prevede:

• lo studio dei fondamenti della fusione del plasma e del ruolo di bobine e attuatori nel reattore;
• la modellazione dell’architettura di convertitore più adatta ai requisiti di corrente di plasma;
• la progettazione della strategia di controllo più adatta per i convertitori;
• l’analisi dei dispositivi a semiconduttore necessari per realizzare il sistema.