I veicoli elettrici e ibridi: stato dell arte, analisi dei benefici ed evoluzioni future.

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1 I veicoli elettrici e ibridi: stato dell arte, analisi dei benefici ed evoluzioni future. F. Cheli, R. Viganò, F.L. Mapelli, D. Tarsitano Dipartimento di Meccanica 1

2 Contenuti Le tecnologie attuali per la mobilità privata I Veicoli Elettrici: lo stato dell arte I Veicoli Ibridi: lo stato dell arte Analisi comparativa delle soluzioni La tendenza della ricerca e del mercato Le ricerche presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano Il Veicolo Bimodale Ibrido Plug-In 2

3 Le tecnologie attuali per la trazione automobilistica Motori a scoppio convenzionali (diesel, benzina) con sistemi di alimentazione ad iniezione e abbattimento inquinanti conformi con le direttive Euro 5. Motori a scoppio convenzionali alimentati con combustibili alternativi, che complessivamente migliorano l impatto ambientale (GPL, Metano, Biodiesel, Etanolo, etc. ). Veicoli elettrici. Veicoli con propulsione ibrida/elettrica nelle differenti tipologie (start&stop, ibrido parallelo, ibrido serie, ibrido plug-in). Veicoli a idrogeno. 3

4 I veicoli elettrici: architettura del power train Batteria di accumulatori (serbatoio energetico) Convertitore elettronico DC/AC inverter Motore elettrico in corrente alternata Carica Batteria a bordo Trasmissione a rapporto fisso Elevata efficienza energetica Emissioni zero all utilizzo 4

5 I veicoli elettrici: le batterie vs. carburante Le densità energetiche: Batteria Litio 170 Wh/kg, Benzina Wh/kg, Gasolio Wh/kg Elettrico Piombo Elettrico Litio Densità Energetica [Wh/kg] Densità energetica effettiva disponibile [Wh/kg] Rendimento medio Tank to wheel [%] Consumo al serbatoio energetico [Wh/km] En. Specifica alla ruota [Wh/kg] Massa Serbatoio per 400 km in città [kg] Benzina (35 l) Consumo auto elettrica in città (alla ruota): mediamente 120 Wh/km Consumo auto benzina in città: 7,9 l/100km Le batterie al litio hanno migliorato la situazione rispetto alla tecnologia al piombo e consentito il rilancio del veicolo elettrico I veicoli elettrici sono proposti con autonomie da 150 a 200 km 5

6 I veicoli elettrici: la ricarica Autonomia Energia a Rendimento Tempo di Potenza di Bordo di ricarica ricarica ricarica equivalente Elettrico ricarica lenta 160 km 19 kwh 80% 8 h 3 kw (presa convenzionale) Elettrico ricarica rapida 160 km 19 kwh 80% 0,5 h 47.5 kw (Stazione di ricarica alta potenza) Benzina 400 km 300 kwh 100% 2 min 9000 kw Ricarica lenta: bastano prese di corrente con un allacciamento convenzionale da 3 kw. Ricarica Rapida: stazioni di ricarica dotate di potenze considerevoli, prese normalizzate, livelli di tensioni e correnti normalizzate, interfacciamento con controllo batteria normalizzato. I combustibili convenzionali sono molto più fruibili per i tempi di rifornimento e per le autonomie. 6

7 Il Veicolo Ibrido In un Veicolo Ibrido si affianca alla propulsione tradizionale un azionamento elettrico di trazione, alimentato da accumulatori elettrochimici. I due motori cooperano al fine di migliorare l'efficienza complessiva, ridurre i consumi e le emissioni inquinanti, infatti: è possibile sgravare (almeno in parte) il motore endotermico dagli avviamenti del veicolo; il motore endotermico può essere disattivato nelle fermate (frequenti nell'utilizzo in città); l accumulo elettrochimico è reversibile, per cui è possibile recuperare l'energia cinetica durante la fase di frenatura; mediante logica di controllo è possibile ripartire la richiesta di potenza motrice fra i due propulsori, al fine di far lavorare il singolo sistema nelle condizioni di massima efficienza. 7

8 Il veicolo ibrido: architettura parallelo 8

9 Il veicolo ibrido: differenti gradi di ibridizzazione Classical Plug In/ Bimodale Start & Stop Motor Generator Starter DOH Medio Medio-Alto Basso AER Bassa (1-5km) Media (20-40 km) Nulla AER (All Electric Range) Autonomia in puro elettrico P DOH P El = Rapporto tra le potenze dei motori elettrico ed endotermico ICE 9

10 Il veicolo ibrido: architettura serie Gruppo elettrogeno Propulsione Elettrica Il Veicolo Ibrido Serie è molto vicino, come concezione, al veicolo elettrico. Al crescere delle prestazioni delle batterie può sfumare in un veicolo elettrico: Range Extender. 10

11 Il veicolo ibrido: architettura serie innovativa 4 ruote sterzanti indipendenti (drive by wire) Sospensioni attive con recupero di energia Pannelli solari Controllo stabilità e dinamica veicolo Motore endotermico e generatore integrati Nessuna Trasmissione Meccanica (Power By Wire) Motoruote azionate indipendentemente Carica batterie a bordo (Plug-In) 11

12 Confronto Propulsioni su ciclo urbano (City Car) Veicolo Efficienza (tank to wheel) [%] Emissioni CO2 [gr/km] Energia da Idrocarburi Equivalenti [MJ/km] Costo Energia [ /100km] Benzina Convenzionale ,56 8,2 Ibrido Convenzionale 40, ,38 5,64 Note Energia in batteria prodotta a bordo Elettrico (en. elettrica da idrocarburi) , Emissioni delocalizzate Elettrico (en. elettrica da rinnovabili) Emissioni nulle Elettrico * , Ibrido plug in/ Bimodale * ,32 4,9 Emissioni ridotte e delocalizzate (guida in città con tratti in elettrico puro a zero emissioni) * mix produzione energia elettrica media europeo (27% nucleare, 20% rinnovabili, 53% idrocarburi). 12

13 Il veicolo ibrido ed elettrico: il mercato attuale Veicoli Elettrici di serie taglia City Car: costo maggiore rispetto ai convenzionali, (incentivi a seconda dello Stato Europeo). Veicoli Ibridi Classici config. Parallela (costo in linea con le auto convenzionali) Veicoli convenzionali con sistema Start and Stop (riduzione dei consumi in città di alcuni %) Veicoli Ibridi Plug-in (commercializzazione prossima). Veicoli Elettrici, e ibridi plug-in ottenuti mediante trasformazione di veicoli convenzionali proposti da piccoli costruttori. MicroCar elettriche. 13

14 I veicoli ibridi ed elettrici: evoluzioni della ricerca Batterie con densità energetica superiore (fino a 300 Wh/kg tra anni) e costi ridotti (attuali 0,5 /Wh, fino a 0,2 /Wh). Ottimizzare i componenti del sistema elettrico di trazione: efficienza, costi, standard automotive. Infrastrutture e sistemi per la ricarica convenzionale e rapida per i veicoli elettrici. Rete elettrica intelligente (Smart Grid) con una maggiore integrazione di fonti rinnovabili. Riciclo e riutilizzo degli batterie al litio. Ulteriore miglioramento/ottimizzazione motori endotermici per le applicazioni ibride. Soluzioni innovative di veicoli ibridi ed elettrici. 14

15 I Veicoli Ibridi: trasformazioni Bimodali Plug-In Trasformazione di veicoli convenzionali in auto Ibride Bimodali mediante l istallazione di un kit di componenti. Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un sistema di trazione elettrica alimentato da batteria. Presenza di un carica batterie a bordo di potenza compatibile con la rete domestica (Plug-In). Possibili modalità di guida a scelta dell utente: funzionamento in puro endotermico con piene prestazioni. funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero emissioni (vel. max. 75 km/h, autonomia di km in ciclo urbano). Trasformazione in attesa di veicoli ibridi plug-in di serie. Possibilità Retro-fit veicoli convenzionale. 15

16 PoliMi: il progetto TecnoBim A partire dal 2006, grazie ad un finanziamento della Regione Lombardia e dell azienda SEMS, il Dip. di Meccanica effettua ricerche nello sviluppo di un Kit di ibridizzazione bimodale. La ricerca è partita da uno studio per dimostrare la fattibilità del progetto ed è approdata alla realizzazione di un kit installato su una Fiat Grande Punto a benzina. Sono stati mantenuti la trazione anteriore e il propulsore a benzina originale. Si sono effettuati studi teorici e lo sviluppo di un prototipo in due versioni: dimostratore 2006/07, veicolo pre-industrializzato Il veicolo è utilizzato come laboratorio di ricerca viaggiante. Nel 2009 ha partecipato a Monza ad una Prova del campionato Mondiale Energie Alternative FIA: 1 posto nella classifica minori emissioni. 16

17 PoliMi: Il veicolo ibrido Bimodale Prototipo Primo allestimento dimostratore Secondo Allestimento Secondo Allestimento La gara FIA AE a Monza 17

18 PoliMi: Test su Strada Veicolo Ibrido Bimodale Velocità [km/h] Ciclo reale Urbano Città di Milano P r e s t a z i o n i v e i c o l o T i m e [ s ] Spazio [km] Conferma su cicli reali delle prestazioni: da 35 a 45 km di autonomia in elettrico puro velocità massima 75 km/h in elettrico consumo medio 0.16 kw/km in elettrico in città 250 Grandezze batteria Tensione e Corrente Batteria V batt [V] I batt [A] 25 Potenza elettrica P otenz a E rogata dalla B atteria P batt [k W ] I eff-batt = A Potenza [kw] Time [s] Tim e [s ] 18

19 PoliMi: stato attuale progetto Bimodale Allo stato attuale il prototipo è pre-industrializzato e riproducibile in piccola serie. Si sono richiesti finanziamenti per continuare la ricerca e per migliorare ed economizzare il kit di trasformazione. Si sono intraprese azioni per avviare progetti-pilota di mini flotte istituzionali o aziendali. Si sta costituendo una filiera di aziende interessate a sviluppare e fornire i componenti del kit, in versione ottimizzata. Si stanno affrontando le problematiche relative all omologazione, legate alla normativa vigente in merito alle trasformazioni. 19

20 PoliMi: Attività sui Veicoli Elettrici Collaborazioni con costruttori di veicoli elettrici per studi, test su strada e ricerca. Motore elettrico/trasmissione Batterie al Litio Test e Misure su Strada 20

21 CONCLUSIONI La tecnologia e la ricerca oggi mettono a disposizione veicoli con sistemi di propulsione che sono in grado di ridurre consumi e inquinamento e migliorare l efficienza energetica. Il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano possiede le competenze e le attrezzature per contribuire alla ricerca, test e alla formazione nel settore. Il veicolo elettrico è un ottima soluzione per l ambito urbano/suburbano (80-100km giorno) se sostenuto da un attenta politica di produzione energetica, della creazione delle infrastrutture di ricarica e da forme di incentivazione economica. Il veicolo ibrido è una soluzione per il breve periodo e per un uso più generale, poiché non dipende dalle infrastrutture. I veicoli ibridi plug-in sono una soluzione intermedia tra ibrido ed elettrico, per un uso meno dipendente dalle infrastrutture ideale nel breve medio periodo. 21

22 GRAZIE PER L ATTENZIONE! Riferimenti: Ing. F.L. Mapelli ferdinando.mapelli@polimi.it tel Prof. F. Cheli federico.cheli@polimi.it Prof. R. Viganò roberto.vigano@polimi.it Ing. D. Tarsitano davide.tarsitano@mecc.polimi.it Sito ricerca: Sito didattica: 22