Veicoli Elettrici e Ibridi. Introduzione

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1 Veicoli Elettrici e Ibridi Introduzione

2 Cos'è per noi un veicolo Il termine veicolo viene associato ad un sistema ingegneristico il cui scopo primario è il movimento da un posto ad un altro, con trasporto di carico utile. Tralasciamo però i veicoli elementari, quali veicoli a braccia, a trazione animale, velocipedi. La funzione del veicolo deputata alla generazione della potenza necessaria per la sua movimentazione è denominata propulsione. Viene distinta nelle fasi di trazione (potenza meccanica generata positiva) e frenatura (potenza meccanica generata negativa, cioè in realtà assorbita). Tutti i carichi (=sottosistemi che per funzionare necessitano di potenza) che non sono direttamente connessi con l'apparato propulsivo sono detti carichi ausiliari. Ad esempio l'illuminazione (interna ed esterna), l'infotainment, i sistemi dei regolazione dei sedili, ecc. sono carichi ausiliari. VEI: Introduzione 2

3 Cos'è per noi un veicolo (2) Il termine veicolo viene associato ad un sistema ingegneristico il cui scopo primario è il movimento da un posto ad un altro, con trasporto di carico utile. Rientrano in questa definizione vari tipi di veicolo: - veicoli terrestri a guida non vincolata: ciclomotori, motoveicoli, autoveicoli (autovetture, autobus, autocarri, ecc. - veicoli a guida vincolata, quali tram, filobus, treni - imbarcazioni - veicoli aerei Molte delle considerazioni che svolgeremo si possono applicare a tutti i tipi di veicoli. Una differenza fondamentale fra essi è la seguente: - veicoli filoalimentati (filobus, tram, treni) - veicoli energeticamente autonomi (gli altri: ciclomotori e motoveicoli, autoveicoli, navi, ecc.) VEI: Introduzione 3

4 Le tre grandi aree ingegneristiche Le grandi aree ingegneristiche da definire e dimensionare nella progettazione di un veicolo, come per qualsiasi sistema ingegneristico sono: - area strutturale. Riguarda la struttura meccanica di sostegno delle parti. Essa è caratterizzata d parametri quali resistenza meccanica, rigidezza, resistenza a fatica, che non implicano particolari flussi di energia o di informazione - area energetica. Riguarda la trasformazione di energia a bordo per convertire quella presente alla partenza (ad es. in un serbatoio di combustibile fossile o in un accumulatore elettrochimico) in energia utile: energia meccanica alle ruote per la propulsione, luminosa per l'illuminazione, elettromagnetica per le tele comunicazioni ecc. - area dell'informazione. Riguarda le funzioni informative (sistema GPS, apparati radio) e di lo (ad esempio l'attuazione dei del pilota, soprattutto quelli dei pedali del freno e dell'acceleratore, ma anche il cruise e simili) Può essere utile al fine un parallelismo con i corpo umano: il sistema scheletrico svolge prevalentemente la funzione strutturale, l'apparato motorio (con la fornitura di energia attraverso l'apparato digerente) la produzione di energia meccanica, il sistema nervoso per l'informazione, cioè il lo e il pilotaggio di tutti gli apparati, anche quelli sensoriali VEI: Introduzione 4

5 Lo schema di riferimento Nel presente corso si trascura l'area ingegneristica strutturale del veicolo, mentre si analizzeranno le altre due. Pertanto lo schema di riferimento è il seguente. Vista la funzione fondamentale del veicolo di generare potenza meccanica per il movimento, essa è considerata potenza utile, mentre l'energia che non produce potenza utile per il movimento è considerata. per la propulsione Power Train Ruote motrici Pilota per i carichi ausiliari Sistemi ausiliari VEI: Introduzione 5

6 Lo schema di riferimento La parte superiore dello schema è relativa alla funzione propulsiva, mentre quella inferiore alle altre funzioni: funzioni ausiliarie. Entrambe le parti hanno un sottosistema per il lo, che interagisce con il pilota, attuando i suoi e visualizzando lo stato del sistema. per la propulsione Power Train Ruote motrici Pilota per i carichi ausiliari Sistemi ausiliari VEI: Introduzione 6

7 Lo schema di riferimento La parte superiore dello schema è relativa alla funzione propulsiva, mentre quella inferiore alle altre funzioni: funzioni ausiliarie. Entrambe le parti hanno un sottosistema per il lo, che interagisce con il pilota, attuando i suoi e visualizzando lo stato del sistema. La potenza trasferita alle ruote è bidirezionale: positiva durante le accelerazioni ella marcia a velocità costante, negativa durante le frenate. per la propulsione Power Train P Ruote motrici Pilota per i carichi ausiliari Sistemi ausiliari VEI: Introduzione 7

8 Veicolo a propulsione convenzionale In questo schema si evidenzia solo l'area energetica. Alcune osservazioni: La potenza non risale il sistema ruote-freni, per incapacità dell'ice (=Internal Combustion Engine) di assorbirla. Quando P m è negativa essa viene assorbita da MB (=Mechanical brake) In realtà un certo assorbimento dall'ice si ha per le perdite di pompaggio, le quali danno il cosiddetto freno motore La potenza per gli ausiliari viene prelevata tramite la PTO dall'ice, mediante conversione nell'eg (Electricity Generator) all energy Power train Fuel tank ICE Transmiss. P MB P m PTO (power take-off) Auxiliary power supply EG Mechanical Aux systems Elec. Auxiliary Systems VEI: Introduzione 8

9 Veicolo a propulsione elettrica (a batteria) In questo schema si evidenzia solo l'area energetica. Alcune osservazioni: La potenza P m può esser negativa, e parzialmente riconvertita in elettrica dall' Electric Drive e convogliata nella batteria batteria sta erogando; la freccia bidirezionale indica che P batt può anche essere negativa L'Electric Drive è composto da convertitore (Electronic Power Converter) e motore CONVENZIONE: le frecce unidirezionali sottili sulle connessioni fisiche (come quella verso gli ausiliari) indicano i versi di riferimento*; le frecce spesse sopra o sotto le connessioni fisiche indicano possibilità di bidirezionalità o meno P batt Battery EPC Motor P aux P p Power train=electric drive Auxiliary Systems T P * se P p >0 la potenza P p fluisce nel verso indicato, altrimenti nel verso opposto VEI: Introduzione 9

10 Diagrammi fisici e di segnale fuel ICE G + - M fuel Primary Converter P P u Power Train Storage System P 2 Il diagramma superiore è di tipo fisico, in quanto indica connessioni di oggetti; quello inferiore è di segnale. I segnali sono sempre orientati (dotati di frecce). Essi possono essere trattati in vario modo, ad esempio sommati in nodi sommatori (gli schemi riportati sono relativi all'apparato propulsivo di veicoli ibridi serie che verranno studiati nel seguito) VEI: Introduzione 10

11 Diagrammi fisici e di segnale (2) Note sui diagrammi: Schemi spesso contengono sia parti fisiche che di segnale La distinzione fra diagrammi fisici e di segnale è fondamentale anche nei sistemi di simulazione. Le connessioni fisiche sono tipicamente caratterizzate dall'interfacciamento di più grandezze (un filo elettrico interfaccia tensione e corrente a monte e valle, un albero meccanico coppia e posizione angolare) ground idealdiode potentialsensor V mean mean f=50 avg1 AVG Nel diagramma accanto le interfacce fra i componenti elettrici sono fisiche; il sensore di tensione genera un diagramma di segnale (o block diagram) Il segnale può essere e inviato in nodi sommatori, integratori, funzioni di trasferimento ecc. VEI: Introduzione 11

12 Diagrammi fisici e di segnale (3) Driver Gear Wheel mp1 mass ratio=6 m=vmass MechEn I k=1 dragf Il diagramma superiore rappresenta lo schema di un veicolo a propulsione elettrica. Si osservano la batteria batt, l'azionamento elettrico drive, il riduttore Gear, la ruota (converte grandezze rotazionali in traslazionali), la massa mass, la resistenza al moto dragf. Il sensore di potenza mp1 crea un segnale e il relativo diagramma: l'energia si ottiene per integrazione. Analogamente il sensore di velocità sensor crea un diagramma di segnale che include il pilota driver, il cui segnale va all'azionamento drive. VEI: Introduzione 12

13 Tipi di veicoli conversioni energetiche fondamentali fuel ICE T M T ICEV BEV fuel ICE GenSys M T fuel ICE T S-HEV M P-HEV En. chimica (elettrostatica) En. elettrica En. meccanica variabilità VEI: Introduzione 13

14 Sistema propulsivo sistema completo ICEV BEV fuel ICE T M power train electric drive= (qui) power train per la propulsione Power Train Ruote motrici per i carichi ausiliari Pilota Sistemi ausiliari Gli schemi della pagina precedente erano relativi solo a : - apparato propulsivo (power train) - area energetica. Nel corso studieremo anche i sistemi ausiliari e l'area del lo. VEI: Introduzione 14

15 VEI = SEB + PE per la propulsione Power Train per i carichi ausiliari Pilota Sistemi ausiliari Il corso integrato di Veicoli Elettrici e Ibridi è composto di: Sistemi Elettrici di Bordo Propulsione Elettrica Sistemi Elettrici di Bordo: architetture di veicoli elettrici e ibridi; analisi LCA-WtW gestione energetica dei veicoli ibridi Principali componenti (accumulatori, macchine elettriche, convertitori, fuel cells) Propulsione elettrica: Architettura del sistema ferroviario (veicoli filoalimentati) Meccanica del veicolo ferroviario e circolazione ferroviaria Analisi e sintesi di azionamenti elettrici basati su macchina asincrona e brushless VEI: Introduzione 15

16 VEI = SEB + PE Lezioni-Esercitazioni SEB e PE richiedono per analisi e sintesi capacità simulative. Caratteristiche dei veicoli: Sistemi multi-physics (meccanica traslazionale e rotazionale, sistemi elettrici, elettronici, fluidici, ) Forte interazione fra l'area energetica e quella informatica (necessità di simulazione cyber-physical) Necessità di simulazione hybrid tempo continua/tempo discreta Non solo veicoli. L'acquisizione di competenze simulative di questo tipo sarà riutilizzabile dagli allievi in tutti i campi applicativi (zero-dimensionali) in cui si troveranno ad operare. Linguaggio Modelica. Consente simulazioni multi-physics, cyber-physical, hybrid con diversi tool simulativi, anche open source Non solo Dymola. Nel corso si userà Dymola, universalmente considerato il riferimento per simulazioni Modelica-based, ma la maggior parte delle simulazioni sarà ripetibile con altri tool, e verificata con OpenModelica. La competenza acquisita dagli allievi sarà quindi riutilizzabile anche in ambienti lavoratici che non dispongono di Dymola. VEI: Introduzione 16