Veicoli Elettrici Ibridi

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1 Università degli Studi di Padova Dipartimento di Ingegneria Elettrica EDLab Report HEV Veicoli Elettrici Ibridi 19 Gennaio 2009

2 p. 2 Veicoli Ibridi

3 Mobilità sostenibile Veicoli Elettrici Ibridi Autori: ing. Andrea Compri Contributo di: ing. Massimo Barcaro Visto da: prof. Nicola Bianchi prof. Silverio Bolognani Data: 19 Gennaio 2009 p. 3

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5 Indice 1 Introduzione Cosa sono i veicoli ibridi Caratteristiche del sistema di trazione Concetti base di un veicolo ibrido I Teoria 7 2 Tipologie Introduzione Ibrido Serie Ibrido Parallelo Ibrido Serie - Parallelo Ibrido Complesso Veicolo Ibrido Serie Introduzione Funzionamento Sistemi di controllo Massimo stato di carica della sorgente di picco Strategia di controllo del motore a combustione interna Dimensionamento dei maggiori componenti Dimensionamento del motore elettrico di trazione Dimensionamento del gruppo motore - generatore Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS ) 27 4 Veicolo Ibrido Parallelo Introduzione Funzionamento Sistemi di controllo Massimo stato di carica della sorgente di picco Strategia di controllo del motore a combustione interna Dimensionamento dei maggiori componenti Dimensionamento del motore a combustione interna Dimensionamento del motore elettrico Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS ) 37 1

6 Veicoli Ibridi 5 Veicolo Ibrido Leggero Introduzione Consumi energetici Veicolo Ibrido Parallelo Leggero Configurazione Modalità di funzionamento e strategia di controllo Dimensionamento del sistema di trazione Veicolo Ibrido Serie - Parallelo Leggero Configurazione Modalità di funzionamento Strategia di controllo Sistemi di accumulo Introduzione Combinazione di diversi sistemi di accumulo Batterie chimiche Tecnologie Supercondesatore Comportamento di un supercondensatore Tecnologie Volano ultraveloce Principi di base di un volano ultraveloce Potenza di un volano ultraveloce Tecnologie Celle a combustibile Caratteristiche generali e produzione Applicazioni Veicolari II Soluzioni Commerciali 75 7 Veicoli Commerciali Evoluzione del mercato Modelli Commerciali Toyota Prius ( 2005 ) Toyota Highlander Honda Civic Honda Accord Ford Escape Gruppo PSA Eaton Hybrid System Hino 4T Ranger HEV Nissan Condor Allison Hybrid Powertrain System p. 2

7 Mobilità sostenibile III 97 Bibliografia 99 p. 3

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9 Capitolo 1 Introduzione 1.1 Cosa sono i veicoli ibridi Le automobili, i veicoli industriali e i mezzi di trasporto leggero che circolano sulle nostre strade e che coprono oggigiorno la maggioranza dell intero parco veicoli, si avvalgono di motori a combustione interna per garantire la propulsione. Tali mezzi di trasporto sono ritenuti fra i maggiori responsabili dello stato di inquinamento delle grandi città poichè, durante il loro funzionamento, immettono nell atmosfera gas di scarico contenenti elementi altamente inquinanti quali ossido di carbonio ( CO ), anidride carbonica ( CO 2 ), ossidi di azoto ( NO x ), una grande varietà di idrocarburi ( HC ) e il pericoloso particolato ossia quell insieme di particelle solide portate in sospensione dai gas e derivante dall ossidazione incompleta del combustibile, dai composti metallici e dagli additivi in esso presenti; inoltre, per il combustibile con cui sono alimentati, i tradizionali motori a combustione interna contribuiscono all esaurimento delle riserve primarie di energia, sfruttate in modo massiccio e irrazionale dall inizio dell era industriale. Per tentare di ridurre l impatto ambientale legato all uso dei veicoli tradizionali sono stati posti, negli ultimi anni, limiti sempre più stringenti ai quantitativi di inquinanti emessi e parallelamente sono state studiate e portate in fase avanzata di sperimentazione numerose tecnologie basate su sistemi di propulsione non convenzionali: fra questi gli ibridi. Per definizione un veicolo ibrido è un veicolo in cui l energia per la propulsione può provenire da due o più sorgenti diverse; se almeno una delle sorgenti di energia è in grado di fornire energia elettrica si parla di ibrido elettrico e si utilizza l acronimo HEV ( Hybrid Electric Vehicle ). La definizione appena data è molto generale, di conseguenza le possibili combinazioni di sistemi di generazione e di sistemi di accumulo a bordo dei veicoli sono molteplici: ad esempio possiamo avere HEVs in cui la propulsione è garantita da due o più batterie, una batteria e un condensatore, celle a idrogeno e batterie, volani e batterie, un motore a combustione interna e un motore elettrico. In letteratura, per evitare di confondersi, è invalsa da tempo la tradizione di riservare l appellativo ibrido elettrico a tutti i veicoli in cui il sistema propulsivo è caratterizzato dalla presenza di un motore a combustione interna e di un motore elettrico ( deve essere presente ovviamente anche un sistema di accumulo ). 1

10 Veicoli Ibridi Realizzando un sistema di propulsione ibrido è possibile gestire le diverse sorgenti di energia a bordo del veicolo in modo da sfruttare i vantaggi derivanti dalle loro possibili combinazioni e limitare i difetti che le caratterizzano se utilizzate separatamente. Questa particolarità rende gli ibridi in grado di sopperire alle principali caratteristiche negative dei mezzi dotati di motori a combustione interna e di candidarsi come mezzi alternativi in grado di soddisfare le aspettative del pubblico in termini di facilità di guida e prestazioni, in attesa che lo sviluppo di nuovi sistemi di accumulo renda possibile la diffusione di massa di veicoli puramente elettrici a bassissimo impatto ambientale, noti anche come ZEVs ( Zero Emission Vehicles ) il cui difetto principale è attualmente rappresentano dalla limitata autonomia ( distanza percorribile tra una ricarica e la successiva ). In generale, il sistema di propulsione di un mezzo di trasporto tradizionale deve essere in grado di erogare potenza in un ampio campo di valori, anche se di fatto alcuni di essi vengono raggiunti raramente e per brevissimi periodi temporali. Questo ampio range di potenze, oltre a richiedere un dimensionamento specifico per il sistema di propulsione, comporta che il motore a combustione interna sia chiamato a funzionare lontano dalla regione di massima efficienza e ciò si ripercuote negativamente sui consumi di carburante. A pesare drasticamente sull efficienza dei veicoli tradizionali si aggiungono l impossibilità di recuperare energia durante la frenatura e la stretta dipendenza delle emissioni inquinanti dalla dinamica di funzionamento; queste ultime infatti aumentano considerevolmente se le condizioni di esercizio variano bruscamente, come succede ad esempio nei centri urbani, mentre risultano limitate a regime di rotazione e potenza erogata costanti. Con un sistema di propulsione ibrida è possibile livellare il profilo della potenza erogata dal motore termico, facendo produrre a questo ultimo una sorta di valor medio della potenza richiesta e predisponendo un adeguato sistema di accumulo per fornire la potenza mancante nei periodi di maggiore richiesta ( accelerazioni, tratti a velocità elevate, lunghe salite ) e immagazzinare quella in esubero nelle condizioni di richiesta minore ( frenatura, fermate, basse velocità ); un ulteriore vantaggio è rappresentato dalla possibilità di marciare, con prestazioni limitate, in modalità puramente elettrica ossia con il motore termico spento nei centri urbani o in tutte quelle zone interdette al traffico dei mezzi tradizionali, aspetto da non sottovalutare visto che il numero di queste aree sta crescendo progressivamente, specie nelle grandi città. Il ricorso agli HEVs ha inoltre il pregio di preservare lo status quo, ossia se il combustibile scelto per alimentare il motore a combustione interna è ancora la benzina, nessuna modifica o al più un numero limitato di cambiamenti dovrà essere apportato alle infrastrutture dedicate alla distribuzione del materiale utilizzato per la propulsione ( comuni prese elettriche ed esistenti distributori di benzina ) 1.2 Caratteristiche del sistema di trazione Nelle applicazioni automobilistiche, la caratteristica ideale, figura 1.1, per un gruppo motore è quella di avere una coppia con andamento iperbolico e una potenza in uscita costante per un ampio valore di velocità. La caratteristica ideale può essere suddivisa in due zone differenti: la prima zona presenta una potenza in uscita con andamento lineare mentre la coppia meccanica rimane costante per non oltrepassare il limite di p. 2

11 Mobilità sostenibile adesione tra pneumatico e terreno; la seconda zona presenta una potenza meccanica in uscita costante e una coppia con andamento iperbolico decrescente. Figura 1.1: Caratteristica ideale della coppia e della potenza in un veicolo automobilistico. Sia il motore a combustione interna, figura 1.2, sia il motore elettrico, figura 1.3, sono in grado di soddisfare le esigenze di trazione del veicolo. Figura 1.2: Caratteristica della coppia e della potenza in un motore a combustione interna. Figura 1.3: Caratteristica della coppia e della potenza in un motore elettrico. Il motore a combustione interna presenta una caratteristica coppia-potenza lontano da quella ideale e inoltre il suo funzionamento inizia con un numero di giri diverso da zero, con consumo di energia ed emissioni atmosferiche di gas nocivi; il minimo consumo di combustibile e coppia massima si hanno per valori intermedi di velocità. Un aumento di velocità comporta una diminuzione di coppia e aumento del consumo di combustibile mentre la potenza in uscita aumenta fino a raggiungere il suo valore massimo oltrepassato il quale inizia a diminuire lentamente mentre la coppia subisce una diminuzione più rapida. Nelle applicazioni automobilistiche, la velocità massima permessa ad un motore a combustione interna si trova appena prima del valore per cui si ottiene la potenza è massima. Il motore a combustione interna presenta un p. 3

12 Veicoli Ibridi profilo coppia-potenza, nella zona di lavoro, quasi piatto rispetto a quello ideale, figura 1.2, è quindi indispensabile inserire un meccanismo di cambio per poterlo modificare. I motori elettrici invece presentano una caratteristica coppia-potenza molto simile a quella ideale, come mostrato in figura 1.3. Aumentando la velocità verso il suo valore base, con tale valore si intende quella velocità che separa le zone 1 e 2, la tensione di alimentazione cresce rapidamente mentre il flusso di induzione rimane costante in questo modo si ottiene una coppia costante e una potenza che cresce linearmente. Oltrepassata la velocità di base la tensione rimane costante mentre il flusso di induzione diminuisce, questo comporta che mentre la potenza in uscita rimane costante la coppia segue un andamento iperbolico. 1.3 Concetti base di un veicolo ibrido Fondamentalmente ad ogni sistema di trazione è richiesto di essere in grado di sviluppare potenza sufficiente per far fronte alle richieste del veicolo, di trasportare energia sufficiente per soddisfare le esigenze di guida, di essere altamente efficiente e avere un basso impatto ambientale per quanto riguarda le emissioni atmosferiche. Un veicolo ibrido può assumere diverse configurazioni con l intento di riuscire a recuperare parte dell energia cinetica durante la frenata che nei normali veicoli è dissipata sottoforma di calore; pertanto oltre ad una normale conversione unidirezionale di energia ne è prevista anche una bidirezionale. La figura 1.5 mostra l andamento dei flussi di potenza di un veicolo ibrido e tutti i possibili percorsi della potenza. La potenza, che un veicolo assorbe, figura 1.4, varia in maniera del tutto casuale durante le operazioni di guida e ciò è dovuto alle frequenti accelerazioni e frenate. È possibile però scomporre la potenza assorbita in due differenti componenti: una costante e l altra dinamica con valor medio nullo. La strategia, che sta alla base di un veicolo ibrido, consiste nel fornire la potenza costante per mezzo di un motore a combustione interna mentre la potenza dinamica da un motore elettrico; in questo modo è possibile recuperare l energia che viene prodotta in eccesso e far funzionare il motore a combustione interna nella zona di massimo rendimento. Figura 1.4: Andamento della potenza assorbita dal veicolo. p. 4

13 Mobilità sostenibile Figura 1.5: Andamento dei flussi di potenza. p. 5

14 p. 6 Veicoli Ibridi

15 Parte I Teoria 7

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17 Capitolo 2 Tipologie 2.1 Introduzione Come proposto dal Technical Committee 69 ( Electic Road Vehicle ) dell Itnternational Electrotechnical Commission, un veicolo elettrico ibrido è un veicolo nel quale l energia necessaria per la sua propulsione è fornita da almeno due diversi tipi di energia e almeno da una può essere prelevata. Le fonti energetiche che un veicolo ibrido può utilizzare possono essere: Carburante liquido ( Benzina, Diesel ) Carburante gassoso ( Metano, Gpl ) Chimica delle batterie Celle a combustibile Elettrica del supercondensatore Meccanica del volano Solare Un sistema elettrico ibrido deve includere, oltre ad un motore a combustione interna, almeno un motore elettrico. Esiste pertanto tutta una serie di combinazioni tra i vari componenti tale da generare un numero elevato di possibili soluzioni; i vari modelli con la descrizione del loro funzionamento vengono esaminati nei seguenti paragrafi. 2.2 Ibrido Serie Il sistema ibrido serie, figura 2.1, non presenta alcuna connessione meccanica tra il motore a combustione interna e le ruote motrici. L energia fornita dalla combustione del carburante e, convertita in energia meccanica nel motore a combustione interna, viene successivamente trasformata in energia elettrica per mezzo del generatore elettrico. Con l ausilio dell elettronica di potenza l energia elettrica fornita dal generatore viene immagazzinata in energia chimica nelle batterie e successivamente riconvertita in elettrica per poter alimentare il motore elettrico dimensionato 9

18 Veicoli Ibridi in modo tale da fornire tutta l energia meccanica per la trazione del veicolo. Nei vari passaggi, tra un apparato e l altro, l energia passa per ben due volte attraverso l elettronica di potenza, le continue conversioni causano una significativa riduzione del rendimento del sistema. Le varie fasi del funzionamento di un veicolo ibrido serie possono essere schematizzate in figura 2.2. Figura 2.1: Schema di un veicolo ibrido serie. ( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1: motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio. ) Figura 2.2: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie. p. 10

19 Mobilità sostenibile Durante la partenza, l accelerazione e una guida normale sia le batterie sia il motore a combustione interna, per mezzo del generatore, forniscono energia elettrica al convertitore di potenza; il convertitore di potenza alimenta, in corrente alternata, il motore elettrico che, attraverso gli organi di trasmissione, fornisce potenza meccanica alle ruote motrici, figura 2.2.a. Durante il funzionamento con bassi carichi, l energia prodotta dal motore a combustione interna risulta essere maggiore rispetto all energia richiesta dal veicolo così parte dell energia in eccesso viene utilizzata per ricaricare le batterie fino a quando raggiungono lo stato di carica massima, figura 2.2.b. Durante la frenata o decelerazione il motore elettrico agisce come generatore trasformando parte dell energia cinetica, posseduta dal veicolo, in energia elettrica caricando quindi le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.2.c. Le batterie inoltre possono essere ricaricate dal motore a combustione interna, per mezzo del generatore e del convertitore di potenza, anche quando il veicolo risulta fermo, figura 2.2.d. 2.3 Ibrido Parallelo Nel sistema ibrido parallelo, figura 2.3, il motore a combustione interna è meccanicamente collegato, per mezzo di una scatola del cambio, al motore elettrico. Il punto di lavoro del motore a combustione interna può essere modificato facilmente con l ausilio delle macchine elettriche; per esempio la velocità del motore a combustione interna può essere modificata con la scatola del cambio mentre la coppia per mezzo del motore elettrico. Le varie fasi del funzionamento di un veicolo ibrido parallelo possono essere schematizzate in figura 2.4. Durante la partenza o forte accelerazione sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico forniscono la potenza necessaria per muovere il veicolo; tipicamente la distribuzione di potenza tra il motore a combustione interna e motore elettrico è del 80% per il motore a combustione e del 20% per quello elettrico, figura 2.4.a. Figura 2.3: Schema di un veicolo ibrido parallelo. ( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1: motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio, Gearbox 2: scatola del cambio. ) Durante il normale funzionamento solo il motore a combustione interna fornisce al veicolo tutta la potenza necessaria per il suo movimento mentre il motore elettrico p. 11

20 Veicoli Ibridi rimane spento, figura 2.4.b. Durante la fase di decelerazione o di frenata il motore elettrico funziona come generatore e ricarica le batterie per mezzo del convertitore di potenza, figura 2.4.c. Durante la fase di guida le batterie possono essere ricaricate attraverso il sistema di trasmissione o nel caso di sosta per mezzo di un generatore ausiliario figura 2.4.d. Figura 2.4: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido parallelo. 2.4 Ibrido Serie - Parallelo Il sistema ibrido serie - parallelo unisce le caratteristiche del modello ibrido serie con quelle del modello parallelo per far ciò deve essere aggiunta, tra il Gearbox 2 e l Electrical Mach. 1, una frizione questo comporta notevoli svantaggi come l elevato costo e la notevole complessità. Possono essere identificati due diversi gruppi di funzionamento che sono: ICE- Heavy e l Electric-Heavy, nel primo l azione preponderante è effettuata dal motore a combustione interna mentre nel secondo è preponderante è quella del motore elettrico. In un sistema ibrido serie - parallelo nella condizione ICE-Heavy sono previste ben sei differenti modalità di funzionamento, figura 2.6. Alla partenza la batteria provvede da sola alla potenza necessaria per il movimento del veicolo mentre il motore a combustione interna rimane spento, figura 2.6.a. p. 12

21 Mobilità sostenibile Figura 2.5: Schema di un veicolo ibrido serie - parallelo. ( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1: motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio, Gearbox 2: scatola del cambio, Clutch: frizione. ) Per forti accelerazioni sia il motore a combustione interna sia le batterie, per mezzo del motore elettrico, forniscono, in maniera proporzionale, la potenza necessaria per il funzionamento del veicolo, figura 2.6.b. Durante la guida normale il motore a combustione interna provvede a tutta la potenza necessaria per far muovere il veicolo mentre il motore elettrico rimane spento, figura 2.6.c. Durante la frenata o la decelerazione il motore elettrico funziona come generatore e ricarica le batterie con l ausilio del convertitore di potenza, figura 2.6.d. Per ricaricare le batterie esistono due differenti modalità: nella prima, che avviene durante la guida, il motore a combustione interna non solo eroga l energia necessaria per muovere il veicolo ma fornisce anche l energia per ricaricare le batterie, figura 2.6.e; nella seconda modalità invece il veicolo è completamente fermo pertanto tutta l energia fornita dal motore a combustione interna serve ad alimentare il generatore che carica le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.6.f. In un sistema ibrido serie - parallelo durante il funzionamento nella condizione Electric-Heavy, figura 2.7, sono previste ben sei differenti modalità di funzionamento. Alla partenza e con guida a basso carico le batterie provvedono, da sole, a fornire tutta la potenza necessaria per muovere il veicolo mentre il motore a combustione interna rimane spento, figura 2.7.a. Per forti accelerazioni e guida normale sia il motore a combustione interna che le batterie, attraverso il motore elettrico, forniscono l energia necessaria per far muovere il veicolo, figura 2.7.b e figura 2.7.c. La differenza tra le due modalità di funzionamento è il contributo, nella fase di guida normale, del motore elettrico nella modalità Electric-Heavy. Durante le frenate o la decelerazione il motore elettrico funziona come generatore e permette di ricaricare le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.7.d. Per ricaricare le batterie esistono due differenti modalità: nella prima, che avviene durante la guida, il motore a combustione interna non solo eroga l energia necessaria per far muovere il veicolo ma fornisce anche l energia per ricaricare le batterie, figura 2.6.e; nella seconda modalità invece il veicolo è completamente fermo pertanto tutta l energia fornita dal motore a combustione interna serve ad alimentare il generatore che carica le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.6.f. p. 13

22 Veicoli Ibridi Figura 2.6: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie - parallelo nella modalità ICE-Heavy. p. 14

23 Mobilità sostenibile Figura 2.7: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie - parallelo nella modalità Electric-Heavy. p. 15

24 Veicoli Ibridi 2.5 Ibrido Complesso Il controllo in un ibrido complesso, si sviluppa sulla possibilità di avere due assi motrici tra loro meccanicamente separati così da ottenere un sistema di propulsione leggero e aumentarne la flessibilità nell assemblaggio. Comunque la frenata rigenerativa può essere effettuata su tutte e quattro le ruote in modo tale da aumentare l efficienza complessiva. Figura 2.8: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido complesso ( ibrido anteriore, elettrico posteriore. La figura 2.8 mostra un sistema ibrido complesso a due assi dove l asse delle ruote anteriori è mosso da un sistema ibrido mentre l asse delle ruote posteriori è mosso da un motore elettrico; esistono sei differenti fasi di funzionamento. p. 16

25 Mobilità sostenibile Durante la partenza le batterie forniscono da sole tutta l energia elettrica necessaria al movimento del veicolo fornendola sia al motore elettrico anteriore sia a quello posteriore mentre il motore a combustione interna rimane spento, figura 2.8.a. Con accelerazioni elevate sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico anteriore forniscono potenza all asse anteriore mentre l asse posteriore è mosso dal motore elettrico posteriore; è da notare che durante questa fase tutti e tre i motori ( uno a combustione interna e due elettrici ) forniscono simultaneamente la potenza per muovere il veicolo, figura 2.8.b. Durante una guida normale e/o ricarica della batteria, la potenza fornita dal motore a combustione interna viene divisa in modo tale da fornire potenza alle ruote dell asse anteriore e al motore elettrico anteriore che, in questo caso, funziona da generatore e ricarica le batterie; si deve notare che il motore dell asse posteriore risulta spento, figura 2.8.c. Il dispositivo meccanico che permette di accoppiare il motore a combustione interna e il motore elettrico anteriore con l asse delle ruote anteriori è un rotismo epicicloidale. Durante la guida con bassi carichi le batterie forniscono l energia elettrica al motore elettrico anteriore che da solo fornisce la potenza necessaria per muovere il veicolo mentre sia il motore a combustione interna che il motore elettrico posteriore sono spenti, figura 2.8.d. Durante la frenata e/o decelerazione entrambi i motori funzionano come generatori ricaricando le batterie, figura 2.8.e. Un aspetto unico di questo sistema è la capacità di bilanciare gli assi, nel caso che le ruote anteriori slittassero, il motore elettrico accoppiato con tale asse inizierebbe a funzionare come generatore assorbendo la potenza in eccesso prodotta dal motore a combustione interna; per mezzo delle batterie questa differenza di potenza verrebbe usata per muovere l asse delle ruote posteriori raggiungendo i bilanciamento degli assi, figura 2.8.f. Recentemente, la Toyota Post-Prius ha utilizzato questo sistema di controllo per i flussi di potenza. La figura 2.9 mostra un altro sistema di trazione complesso, dove l asse delle ruote anteriori è guidato da un motore elettrico mentre l asse delle ruote posteriori è mosso da un sistema ibrido; esistono sei differenti fasi di funzionamento. Durante la partenza l energia elettrica viene fornita dalla batteria ma solamente al motore elettrico anteriore mentre il motore a combustione interna e l altro motore elettrico risultano spenti, figura 2.9.a. Non appena si sia mosso il veicolo, le batterie forniscono energia elettrica al motore posteriore facendolo funzionare come starter per il motore a combustione interna, figura 2.9.b. Per accelerazioni elevate l asse delle ruote anteriori è mosso dal suo motore elettrico mentre l asse delle ruote posteriori è mosso sia dal motore elettrico sia da quello a combustione interna, figura 2.9.c. Durante la guida normale solo il motore a combustione interna fornisce l energia per muovere il veicolo fornendola all asse delle ruote posteriori, figura 2.9.d. Durante la frenata e/o decelerazione entrambi i motori funzionano come dei generatori caricando simultaneamente le batterie, figura 2.9.e. Durante la guida è possibile ricaricare le batterie, la potenza fornita dal motore a combustione interna è suddivisa in modo tale da fornire: potenza sufficiente per muovere il veicolo mentre la parte restante fornirla al motore elettrico posteriore che, funzionando da generatore, ricarica le batterie, figura 2.9.f. Recentemente la GM Precept ha utilizzato questo sistema di controllo dei flussi di potenza. p. 17

26 Veicoli Ibridi Figura 2.9: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido complesso ( ibrido posteriore, elettrico anteriore. p. 18

27 Capitolo 3 Veicolo Ibrido Serie 3.1 Introduzione La struttura di un veicolo ibrido serie fu sviluppata partendo da quella del veicolo elettrico. Infatti un veicolo mosso da un motore elettrico rispetto ad uno mosso da motore a combustione interna presenta i seguenti vantaggi: un livello di emissioni atmosferiche nulle, diverse sorgenti energetiche e alto rendimento. Figura 3.1: Schema di un veicolo ibrido serie. Purtroppo il veicolo elettrico, utilizzando le attuali tecnologie presenta alcuni svantaggi: un autonomia limitata dovuta alle scarse capacità delle batterie, costi elevati, un tempo lungo di ricarica e una bassa capienza dei veicoli. L obiettivo iniziale dello sviluppo di un veicolo ibrido serie ( S-HEV ) fu quello di puntare all aumento dell autonomia aggiungendo un motore a combustione interna ed un alternatore per poter ricaricare le batterie anche quando il veicolo è in movimento. Una tipica configurazione di un veicolo ibrido serie è mostrata in figura 3.1. La potenza, necessaria al motore elettrico per muovere il veicolo, risulta fornita dal PPS ( Sorgente di 19

28 Veicoli Ibridi potenza di picco ) oppure dal gruppo motore - generatore. Quando il veicolo richiede una potenza elevata il gruppo motore-generatore fornisce assieme al PPS tutta la potenza necessaria al motore elettrico; mentre quando la richiesta di potenza è bassa l energia viene inviata al PPS per essere ricaricate. Il dispositivo che controlla il motore elettrico e che quindi permette il movimento del veicolo è definito motor controller, figura Funzionamento Il sistema di produzione della potenza cioè il gruppo motore-generatore è meccanicamente separato dalle ruote motrici come mostrato in figura 3.1. La velocità e la coppia del motore a combustione interna sono pertanto indipendenti dalla velocità e dalla coppia di trazione richiesta dal veicolo. Generalmente il motore a combustione interna viene fatto funzionare nella sua zona ottimale dove sia il consumo di carburante che le emissioni atmosferiche nocive risultano minime. Le varie fasi, del sistema di trazione, possono essere utilizzate in base alle condizioni di guida che sono le seguenti: Modalità di trazione ibrida. Quando è richiesta un elevata potenza, cioè il guidatore preme a fondo il pedale dell acceleratore, sia il gruppo motore - generatore sia la sorgente di potenza di picco ( PPS ) forniscono la potenza necessaria al motore elettrico. In questa condizione il motore a combustione interna viene fatto funzionare nella zona con massimo rendimento e basse emissioni atmosferiche, figura 3.2. Figura 3.2: Esempio di caratteristica del motore e regione ottimale di funzionamento. La sorgente di potenza di picco ( PPS ) fornisce la differenza tra la potenza richiesta dal veicolo e quella fornita dal motore a combustione interna. p. 20

29 Mobilità sostenibile L operazione può essere così espressa: P demand = P e g + P P P S dove P demand è la potenza richiesta dal veicolo, P e g è la potenza fornita dal gruppo motore - generatore e P P P S è quella fornita dalla sorgente di picco. Modalità di trazione PPS. In questa condizione la sorgente di potenza di picco ( PPS ) fornisce, da sola, tutta la potenza richiesta dal veicolo. L operazione può essere così espressa: P demand = P P P S Modalità di trazione motore - generatore. In questa condizione il motore - generatore fornisce da solo tutta la potenza richiesta dal veicolo. L operazione può essere così espressa: P demand = P e g Modalità di ricarica del PPS da parte del motore - generatore. Quando l energia della sorgente di potenza di picco ( PPS ) scende al di sotto del valore minimo deve, per forza, essere ripristinato lo stato di carica. Questo può essere fatto in due modi differenti: il primo modo consiste nel recupero dell energia cinetica del veicolo durante la frenata, il secondo per mezzo del gruppo motore-generatore; spesso è necessario il contributo del gruppo motoregeneratore in quanto l energia recuperata durante la frenata risulta essere insufficiente. In questo caso la potenza del motore a combustione interna risulta essere suddivisa in due parti: una parte è usata per far muovere il veicolo e l altra è utilizzata per ricaricare la sorgente di potenza di picco ( PPS ). L operazione può essere così espressa: P demand = P e g P P P S Tale operazione viene eseguita solamente quando la potenza del motore - generatore risulta essere più grande rispetto alla potenza richiesta dal veicolo. Modalità di ricarica in frenata. In tale condizione il veicolo è in fase di frenatura pertanto il motore elettrico di trazione funziona come un generatore ricaricando la sorgente di potenza di picco ( PPS ). 3.3 Sistemi di controllo In ogni veicolo è presente un sistema per controllare tutti i componenti presenti; tale sistema riceve i segnali di comando dal conducente e i segnali di ritorno da tutti i componenti del sistema e, di conseguenza, decide in che modo far funzionare il veicolo. Le strategie per il controllo del veicolo sono le seguenti: Massimo stato di carica della sorgente di potenza di picco (Max. PPS). SOC del Motore acceso o spento. p. 21

30 Veicoli Ibridi Massimo stato di carica della sorgente di picco L obiettivo di questo sistema di controllo è quello di fornire la potenza richiesta dal guidatore e, allo stesso tempo, mantenere lo stato di carica del PPS ad un livello adeguato. Questo tipo di controllo, mostrato in figura 3.3, è descritto da quattro punti ( A,B,C,D ) che rappresentano la potenza che il guidatore richiede sia durante la fase di accelerazione sia durante la fase di decelerazione. Figura 3.3: Modalità di funzionamento con scambi di potenza. p. 22

31 Mobilità sostenibile Il punto A rappresenta un funzionamento dove la potenza richiesta è maggiore rispetto a quella che può fornire il gruppo motore - generatore; in questo caso il PPS deve essere in grado di sopperire alla potenza richiesta e la potenza fornita dal gruppo motore - generatore. Il punto B rappresenta un funzionamento dove la potenza richiesta dal veicolo è minore rispetto a quella che il gruppo motore - generatore produce quando funziona nella sua zona ottimale cioè con consumi ed emissioni bassi. In questo caso sono possibili due diverse operazioni che dipendono dallo stato di carica del PPS. Se lo stato di carica del PPS è al di sotto del valore massimo viene ricaricato utilizzando parte dell energia che il gruppo motore - generatore produce funzionando nella sua zona ottimale, la parte restante è utilizzata per muovere il veicolo. Invece, se lo stato di carica del PPS è già al suo massimo valore la potenza fornita dal gruppo motore - generatore è l unica ad alimentare il veicolo quindi è uguale alla potenza richiesta. Il punto C rappresenta il funzionamento in frenata dove la potenza recuperata è più grande rispetto a quella che il motore elettrico può convertire; in questo caso parte della potenza è fornita al motore elettrico mentre l altra parte è prodotta dal sistema meccanico di frenatura. Il punto D rappresenta il funzionamento in frenata dove la potenza recuperata è più piccola rispetto alla massima potenza del motore elettrico; in questo caso tutta la potenza è fornita al motore elettrico. Il diagramma di flusso che rappresenta il controllo dello stato di carica del PPS è mostrato in figura 3.4. Figura 3.4: Diagramma di flusso del massimo stato di carica del PPS. p. 23

32 3.3.2 Strategia di controllo del motore a combustione interna Veicoli Ibridi Guidando per tempi prolungati con basso carico, ciò può accadere per esempio nelle strade a scorrimento veloce oppure a velocità costante, il PPS può facilmente avere il massimo valore di carica pertanto il motore a combustione interna verrebbe fatto funzionare con una potenza piuttosto modesta pregiudicando quindi il rendimento complessivo del sistema. Si preferisce pertanto impostare la seguente modalità di funzionamento: lo stato del gruppo motore - generatore viene controllato dallo stato di carica in cui si trova il PPS, figura 3.5. Figura 3.5: Diagramma temporale dello stato del gruppo motore - generatore. Il gruppo motore - generatore risulta acceso fino a quando lo stato di carica del PPS risulta al di sotto del suo valore massimo, quando viene raggiunto il gruppo motore - generatore viene spento e solamente il PPS fornisce la potenza necessaria al movimento del veicolo. Quando lo stato di carica ha raggiunto il valore minimo il gruppo motore - generatore viene riacceso; in questo modo il motore a combustione interna viene fatto funzionare nella sua zona ottimale. 3.4 Dimensionamento dei maggiori componenti I maggiori componenti di un veicolo ibrido serie sono: il motore elettrico, il gruppo motore - generatore e la sorgente di potenza di picco; il loro dimensionamento di massima è il primo e più importante passo nella progettazione dell intero sistema. Durante la loro progettazione devono essere presi in considerazione i seguenti aspetti fondamentali. Prestazioni del veicolo durante la fase di accelerazione. Funzionamento del veicolo nei circuiti urbano ed extraurbano. Energia immagazzinata nel PPS ( Sorgente di potenza di picco ). p. 24

33 Mobilità sostenibile Dimensionamento del motore elettrico di trazione La potenza di dimensionamento del motore elettrico, per un veicolo ibrido, viene determinata in base: all accelerazione richiesta, alle caratteristiche del motore a combustione interna e dal sistema di trasmissione della potenza. Nella fase preliminare del progetto la potenza per cui deve essere dimensionato il motore può essere calcolata considerando le prestazioni in fase di accelerazione, cioè il tempo necessario affinchè il veicolo, partendo da una velocità iniziale, raggiunga la velocità finale desiderata. Una buona stima può determinarsi con l equazione 3.1. P t = δ M v 2 t a (V 2 f + V 2 b ) M v g f v V f ρ a C D A f V 3 f (3.1) I termini presenti nell equazione hanno i seguenti significati: M v : massa totale del veicolo [ kg ] t a : tempo necessario per accelerare il veicolo [ s ] V b : velocità iniziale del veicolo [ m/s ] V f : velocità finale del veicolo [ m/s ] g : accelerazione di gravità [9.81 m/s 2 ] f v : coefficiente di attrito volvente ρ a : densità dell aria [ kg/m 3 ] A f : area frontale del veicolo [ m 2 ] C D : coefficiente di aerodinamicità del veicolo δ : fattore di massa del veicolo L equazione 3.1 presenta tre termini: il primo rappresenta la potenza necessaria per accelerare il veicolo mentre il secondo e terzo termine rappresentano la potenza necessaria per vincere l attrito volvente e l attrito dell aria. La potenza e la forza di trazione, entrambe in funzione della velocità, sono mostrate in figura 3.6. Figura 3.6: Potenza e forza di trazione in funzione della velocità. p. 25

34 Veicoli Ibridi Durante l accelerazione, partendo con bassi rapporti la forza di trazione segue la traccia a-b-d-e e la velocità di base del veicolo è pari a V b1. Quando, invece, è possibile utilizzare un solo rapporto di trasmissione si è costretti ad utilizzare alti rapporti di trasmissione e pertanto la forza di trazione segue la traccia c-d-e con velocità base pari V b Dimensionamento del gruppo motore - generatore Come è stato precedentemente illustrato il gruppo motore - generatore, in un sistema ibrido serie, è soprattutto utilizzato per fornire potenza al PPS prima che questi si scarichi completamente. Nella progettazione del gruppo motore - generatore devono essere considerate due differenti condizioni di guida: la prima condizione di guida avviene a velocità costante e per un tempo prolungato, per esempio sulle strade extraurbane, la seconda condizione di guida avviene con frequenti fermate e partenze, per esempio nelle strade urbane. Con la prima condizione il gruppo motore - generatore deve essere in grado di fornire da solo tutta la potenza al veicolo senza contare sul supporto del PPS questo può avvenire quando il veicolo viaggia ad alte velocità ( 130 km/h ). Nella seconda condizione il gruppo motore - generatore deve essere in grado di produrre la potenza necessaria per mantenere ad un certo livello di carica il PPS così che, in ogni momento, può essere fornita potenza per accelerare il veicolo. A velocità costante e su strada piana, la potenza che il gruppo motore - generatore deve essere in grado di fornire è stimata per mezzo dell equazione 3.2. V P e g = (M v g f v + 12 ) 1000 η t η ρ a C D A f V 2 [ kw ] (3.2) m I termini presenti nell equazione hanno i seguenti significati: η t : rendimento del sistema di trasmissione η m : rendimento del motore elettrico di trazione V : velocità del veicolo [ m/s ] Quando il veicolo percorre un area urbana, dove fermate e partenze sono frequenti, la potenza prodotta dal gruppo motore - generatore deve essere superiore al valor medio della potenza richiesta dal veicolo per poter compensare l energia che viene immagazzinata nel PPS. Il valor medio della potenza viene stimato per mezzo dell equazione 3.3. P ave = 1 T T 0 (M v g f v + 12 ρ a C D A f V 2 ) V dt + 1 T I termini presenti nell equazione hanno i seguenti significati: δ : fattore di massa del veicolo dv/dt : accelerazione del veicolo [ m/s 2 ] T 0 dv δ M v dt (3.3) dt L equazione 3.3 presenta due termini: il primo rappresenta la potenza media necessaria per vincere sia l attrito volvente che quello dell aria mentre il secondo termine rappresenta la potenza media necessaria per accelerare o decelerare il veicolo. Quando l intero sistema ha la capacità di convertire tutta l energia cinetica posseduta dal p. 26

35 Mobilità sostenibile veicolo il secondo termine risulta nullo altrimenti presenta un valore maggiore di zero come viene mostrato in figura 3.7. Figura 3.7: Valor medio della potenza per accelerare o decelerare il veicolo Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS ) La sorgente di potenza di picco ( PPS )deve essere in grado di rilasciare potenza sufficiente per far muovere il veicolo in ogni momento e,allo stesso tempo, deve poter immagazzinare tutta l energia necessaria dovuta ai frequenti assorbimenti. Il valore della potenza viene stimato per mezzo dell equazione 3.4. P P P S P m,max η m P e g (3.4) I termini presenti nell equazione hanno i seguenti significati: P m,max : massima potenza erogata dal motore elettrico η m : rendimento del motore elettrico P e g : potenza fornita dal gruppo motore - generatore. L energia che viene scambiata dal PPS è espressa per mezzo dell equazione 3.5. E = T 0 P P P S dt (3.5) L energia è positiva quando è in fase di carica mentre è negativa quando è in fase di scarica. Sia E max, figura 3.8, l energia massima che viene scambiata durante un ciclo e siano rispettivamente SOC top e SOC bott il valore massimo e il valore minimo dello stato di carica, figura 3.5. La capacità energetica del PPS può stimarsi per mezzo dell equazione 3.6. E cap = E max SOC top SOC bott (3.6) p. 27

36 Veicoli Ibridi Figura 3.8: Energia scambiata in un percorso urbano( Max. SOC del PPS ). p. 28

37 Capitolo 4 Veicolo Ibrido Parallelo 4.1 Introduzione Diversamente da ciò che avviene in una configurazione ibrida serie nel sistema ibrido parallelo, figura 4.1 sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico forniscono potenza meccanica direttamente alle ruote motrici. I vantaggi che una configurazione in parallelo presenta rispetto ad una configu- razione serie sono: Figura 4.1: Schema di un veicolo ibrido parallelo. Non è più richiesta la presenza del generatore. Il motore elettrico di trazione è più piccolo. Non è più necessaria la multiconversione di potenza dal motore a combustione interna alle ruote motrici. 29

38 Veicoli Ibridi Pur essendo complessivamente, in una configurazione ibrida parallela, il rendimento più elevato il controllo del suo sistema di trazione risulta più complesso rispetto a quello serie ciò è dovuto all organo meccanico di accoppiamento tra motore a combustione interna, motore elettrico e ruote motrici. Questo capitolo sarà concentrato sulla metodologia di progettazione di un sistema parallelo, con meccanismo di accoppiamento, sul quale operano sia il motore a combustione interna, che fornisce la potenza per il carico base ( spostamenti del veicolo a velocità costante sul piano, su strade lievemente pendenti o nei circuiti urbani ) sia il motore elettrico che fornisce i picchi di potenza richiesti rispetto al carico base. Una prima importante osservazione può essere effettuata sul carico di lavoro che il sistema di trazione deve essere in grado di effettuare: il carico base, svolto in area urbana oppure nelle strade a scorrimento veloce, è molto più piccolo rispetto al carico di lavoro massimo che il veicolo deve essere in grado di svolgere; questo suggerisce che la potenza di dimensionamento del motore a combustione interna è più piccola rispetto a quella del motore elettrico. Gli obiettivi che un veicolo ibrido parallelo dovrà essere in grado di soddisfare sono: Soddisfare le caratteristiche richieste (: accelerazione, velocità massima ). Conseguire un rendimento complessivo il più elevato possibile. Mantenere lo stato di carica ( SOC ) delle batterie ad un ragionevole livello durante il ciclo di guida senza che vengano ricaricate dall esterno. Recuperare il più possibile l energia cinetica posseduta dal veicolo durante la fase di frenatura. 4.2 Funzionamento In un veicolo con sistema ibrido parallelo le modalità di funzionamento sono le seguenti: Solo con motore a combustione interna. Solo con motore elettrico. Trazione ibrida ( Motore a combustione interna più motore elettrico ). Frenata rigenerativa. Sorgente di potenza di picco ( PPS ) ricaricata dal motore a combustione interna. Durante il movimento del veicolo il sistema di trazione deve essere fatto funzionare nel modo più appropriato possibile per garantire: coppia sufficiente, un rendimento elevato, mantenere un ragionevole livello di carica della sorgente di potenza ( PPS ) e di recuperare il più possibile l energia cinetica, posseduta dal veicolo, durante la frenata. p. 30

39 Mobilità sostenibile 4.3 Sistemi di controllo In ogni veicolo è presente un sistema per controllare tutti i componenti presenti; tale sistema riceve i segnali di comando dal conducente e i segnali di ritorno da tutti i componenti del sistema e, di conseguenza, decide in che modo far funzionare il veicolo. Le strategie per il controllo del veicolo sono le seguenti: Massimo stato di carica della sorgente di potenza di picco (Max. PPS). SOC del Motore acceso o spento Massimo stato di carica della sorgente di picco Quando il veicolo percorre un circuito urbano, quindi soggetto a frequenti partenze e frenate, la sorgente di picco ( PPS ) deve ripetutamente fornire potenza al sistema di trazione conseguentemente tende a scaricarsi velocemente. Quindi per soddisfare le richieste del veicolo è necessario mantenere un livello di carica adeguato effettuando un controllo sullo stato della sorgete di potenza di picco ( PPS ). In figura 4.2 sono tracciate, in funzione della velocità, oltre a una serie di curve che mostrano le potenze che il sistema di trazione è in grado di produrre o di riconvertire anche quattro differenti condizioni condizioni di funzionamento rappresentate da quattro punti ( A,B,C,D ). Le possibili condizioni di funzionamento sono le seguenti: Solo motore elettrico. Quando la velocità del veicolo risulta inferiore al valore V eb è da considerarsi troppo bassa per far funzionare il motore a combustione interna in maniera continuativa. In questo caso soltanto il motore elettrico fornisce tutta la potenza necessaria per far muovere il veicolo mentre il motore a combustione interna risulta spento oppure funzionante a vuoto. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P e = 0 P m = P L η t,m P P P S d = P m η m P e : potenza fornita dal motore a combustione interna P L : potenza richiesta dal veicolo η t,m : rendimento del sistema di trasmissione tra il motore elettrico e le ruote motrici P m : potenza fornita dal motore elettrico P P P S d : potenza fornita dalla sorgente di picco ( PPS ) η m : rendimento del motore elettrico Modalità di funzionamento ibrida. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata in questo caso dal punto A di figura 4.2, risulta essere più grande rispetto alla potenza che il motore a combustione interna può fornire da solo; quindi, entrambi i motori devono erogare potenza nello stesso momento. In questo caso il motore a combustione interna viene fatto funzionare lungo la linea 3 dove il rendimento è ottimale; la differenza tra la potenza richiesta dal p. 31

40 Veicoli Ibridi veicolo e quella fornita dal motore a combustione interna viene prodotta dal motore elettrico. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P m = P L P e η t,e η t,m P P P S d = P m η m η t,e : rendimento del sistema di trasmissione tra il motore a combustione interna e le ruote motrici Figura 4.2: Modalità di funzionamento con scambi di potenza. p. 32

41 Mobilità sostenibile Modalità di ricarica del PPS. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata in questo caso dal punto B di figura 4.2, risulta essere più piccola rispetto alla potenza che il motore a combustione interna può fornire funzionando lungo la linea 3 cioè con il massimo rendimento. Per determinare i flussi di potenza si considera lo stato di carica della sorgente di potenza ( PPS ) se si trova al di sotto del suo valore massimo parte della potenza, P mc, fornita dal motore a combustione interna viene convertita in elettrica ed immagazzinata nel PPS per mezzo del motore elettrico che in questo caso funziona come generatore. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P m = ( P e P L η t,e ) η t,e,m η m P P P S c = P m η t,e,m : rendimento del sistema di trasmissione tra il motore a combustione interna e il motore elettrico P P P S c : potenza accumulata nella sorgente di picco ( PPS ) Solo motore a combustione interna. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata sempre dal punto B di figura 4.2, risulta essere più piccola rispetto alla potenza che il motore a combustione interna può fornire funzionando lungo la linea 3 cioè con il massimo rendimento. Per determinare i flussi di potenza si considera lo stato di carica della sorgente di potenza ( PPS ) se risulta al suo massimo valore il motore elettrico risulta spento e solamente il motore a combustione interna, lavorando lungo la linea 4 quindi a minor rendimento, fornisce potenza al veicolo. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P e = P L η t,e P m = 0 P P P S = 0 Modalità di ricarica in frenata. Se il veicolo è in fase di frenata, rappresentata in questo caso dal punto D di figura 4.2, e la potenza richiesta per frenare il veicolo è inferiore al valore massimo che il motore elettrico riesce a riconvertire allora il motore elettrico funziona da generatore e tutta l energia cinetica posseduta dal veicolo viene convertita in elettrica e immagazzinata nel PPS. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P mb = P L η t,m η m P P P S c = P mb P mb : potenza elettrica di frenata Modalità di funzionamento ibrida in frenata. Se il veicolo è in fase di frenata, rappresentata in questo caso dal punto C di figura 4.2, e la potenza richiesta per frenare il veicolo è più grande rispetto alla massima potenza che il motore riesce a riconvertire allora oltre al motore elettrico che, funzionante come generatore, riesce a riconvertire la massima potenza deve essere azionato anche il sistema meccanico di frenatura. L operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni: P mb = P mb,max η m P P P S c = P mb p. 33