SESSIONE C COMPONENTI MECCANICI MODELLISTICA E SIMULAZIONE DI UN SISTEMA DI ACCUMULO INERZIALE A VOLANO. C. Delprete, C. Rosso

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1 Associazione Italiana per l Analisi delle Sollecitazioni (AIAS) XXXI Convegno Nazionale Settebre 2002, Para SESSIONE C COMPONENTI MECCANICI MODELLISTICA E SIMULAZIONE DI UN SISTEMA DI ACCUMULO INERZIALE A VOLANO C. Delprete, C. Rosso Dipartiento di Meccanica, Politecnico di Torino, Corso Duca degli Abruzzi Torino, e-ail: delprete@polito.it, rossoc@polito.it Il lavoro si colloca nell abito del prograa di ricerca scientifica Sistei di propulsione ibridi per autoveicoli cofinanziato dal MIUR con fondi No Obiettivo specifico della eoria è la realizzazione di odelli di siulazione relativi a un sistea di accuulo inerziale a volano, adatti all integrazione in un siulatore generale da utilizzarsi quale struento per la progettazione e la gestione dei flussi di energia a bordo. I diversi coponenti del sistea di accuulo inerziale a volano (soluzioni eccanica ed elettroeccanica) sono stati descritti ediante equazioni di odello e quindi ipleentati nei corrispondenti blocchi di siulazione in MATLAB-SIMULINK. Sono state indagate diverse soluzioni costruttive, analizzando il coportaento di un veicolo nella sua configurazione coerciale di serie e in quelle siulate ibride, facendo riferiento a profili standardizzati ECE15 e calcolando il rispario energetico ottenibile dalle diverse soluzioni siulate. La soluzione eccanica più vantaggiosa, a anche realizzativaente più coplessa e costosa, è risultata quella con giunti di sopravanzo a fronte di quella con innesti a frizione. Nel caso di soluzione elettroeccanica, più interessante dal punto di vista di ingobri e peso, il sistea di accuulo con acchina elettrica da 15 kw garantisce un valido recupero energetico su tutti i percorsi siulati e in particolare sul ciclo ontano.

2 1. INTRODUZIONE L analisi effettuata sulla letteratura che, dagli anni 60 a oggi, si è espressa in erito all accuulo inerziale destinato alle applicazioni veicolistiche, ha consentito sia di sviluppare una visione d insiee del problea relativo all accuulo di energia ediante sistei inerziali sia di identificare e valutare le configurazioni più consone ad affrontare il problea. In letteratura sono riportate diverse soluzioni di veicolo ibrido con ipiego di accuulatore inerziale, sviluppate negli ultii anni [1-12]. Altre indagini riguardano l ottiizzazione dei volani per ipiego veicolistico o la loro integrazione con altri coponenti [13-17]. Con l avvento di prograi di siulazione sepre più sofisticati si è iboccata la strada della siulazione delle caratteristiche dei veicoli ibridi attraverso la definizione di odelli via via più coplessi [18,19]. Indipendenteente dal layout scelto per il veicolo ibrido copleto (tipo serie o parallelo) due sono i etodi costruttivi più utilizzati: sistea d accuulo eccanico e sistea d accuulo elettroeccanico. Nella soluzione eccanica il volano scabia coppia e velocità angolare direttaente con gli eleenti di propulsione del veicolo. Nella soluzione elettroeccanica, invece, il volano scabia coppia e velocità angolare con una acchina elettrica e quest ultia scabia energia con i sistei di propulsione che equipaggiano il veicolo. La possibilità di associare il sistea di accuulo inerziale a volano con un sistea di accuulo elettrochiico consente di cobinare i vantaggi dei due, garantendo di raggiungere il capo d interesse dei veicoli ibridi in terini di densità di energia e densità di potenza. A tal fine è stato inizialente sviluppato, in abiente MATLAB-SIMULINK, un prograa di siulazione di pria approssiazione per valutare le prestazioni di veicoli ibridi di tipo serie [20,21]. Il codice consente di siulare le prove couneente adottate dalle case autoobilistiche (velocità assia, accelerazione, ripresa, autonoia, consui), nel caso di cicli standard, secondo norativa europea ECE15, e per cicli definiti dall utente. Utilizzando il codice di siulazione è possibile effettuare uno studio globale del coportaento del veicolo coprendendo coe e quanto i singoli sottosistei (batterie, volano, otore terico e otore elettrico) prendano parte alle diverse condizioni di utilizzo del veicolo. Si è quindi passati a sviluppare nel dettaglio l analisi del sistea di accuulo a volano (soluzione eccanica e soluzione elettroeccanica), realizzando e ettendo a punto i siulatori relativi alle due strategie, a cui la presente eoria fa riferiento. Per entrabe le soluzioni sono state ricavate le equazioni di odello dei singoli coponenti e ipleentate nei corrispondenti blocchi di siulazione. Si sono quindi indagate diverse soluzioni costruttive e si è calcolato il rispario energetico ottenibile, analizzando il coportaento di una Fiat Brava 100 ELX nella configurazione coerciale di serie e in quella siulata ibrida. Le funzioni velocità-tepo e pendenza-tepo sono state scelte facendo riferiento ai profili standardizzati ECE15 urbano-extraurbano (4 cicli urbani e 1 ciclo extraurbano ripetuti), ontano e isto. 2. SOLUZIONE MECCANICA Il volano è collegato eccanicaente al sistea di trasissione del veicolo e l energia viene scabiata sotto fora di energia eccanica, attraverso le variabili coppia e velocità. Per gestire l accuulo energetico, il volano deve potersi inserire e disinserire ogni qualvolta il controllo lo ritenga opportuno. A tal fine il collegaento tra volano e sistea di accuulo è

3 stato scelto di tipo non peranente e realizzato traite innesti. Sono state identificate due diverse soluzioni: una con innesti a frizione, V l altra con giunti di sopravanzo. Nello schea con innesti a frizione (Fig. 1), il volano è interposto tra i due innesti che lo collegano da un lato al treno di trasissione (CVT e ponte) e dall altro al otore priario. Il controllo del sistea di accuulo, agendo sulle due frizioni, gestisce l ingresso e l uscita di energia dal volano. Dato che la soluzione coporta perdite quando le frizioni slittano, per perettere agli alberi su cui sono calettate di raggiungere la edesia velocità di rotazione, si è pensato di adottare una soluzione con giunti di sopravanzo che perettono di accoppiare e disaccoppiare autoaticaente i due alberi in funzione delle loro velocità relative e di scegliere un percorso preferenziale per il flusso di energia. In questa soluzione (Fig. 2) il volano è calettato su di un albero ai cui estrei sono collegati il giunto G1 dal lato del otore priario e il giunto G2 dal lato del CVT e ponte. Per evitare che i due giunti G1 e G2 lavorino conteporaneaente, e vengano quindi a prodursi urti, il sistea di alientazione del volano prevede un albero che collega l ingresso di un giunto all uscita dell altro e ipone loro velocità diverse. A onte del CVT è counque prevista una frizione che consente la P CVT M.P. trasissione del oto alle ruote, il trasferiento dell energia recuperata durante le frenate o la percorrenza di discese, e garantisce la condizione di veicolo fero. Il volano è l eleento che fisicaente converte l energia eccanica in energia cinetica; la flessibilità nella fornitura dell energia accuulata e la capacità di sfruttare la frenata rigenerativa lo rendono un eleento particolarente interessante. Considerazioni econoiche e costruttive hanno indirizzato verso la scelta di un volano in ateriale etallico e con geoetria a disco di unifore resistenza con corona esterna [22]. Sono stati valutati tre tipi di ateriali: acciaio, lega di alluinio e lega di titanio. I prii due hanno prestazioni paragonabili a la lega di alluinio consente di realizzare un disco-base, per un sistea odulare, di assa decisaente più piccola rispetto all acciaio. La lega di titanio ha prestazioni superiori e consente un increento di circa il 50% della velocità assia di rotazione. Per la soluzione con innesti a frizione il volano scelto è a disco singolo in acciaio C55 e, potendo al assio ruotare a una P CVT F2 F1 Fig. 1 Schea di soluzione eccanica con innesti a frizione: P ponte, CVT variatore continuo, F1 e F2 frizioni, V volano, M.P. otore priario. F R2 G2 V G1 R1 G M.P. Fig. 2 Schea di soluzione eccanica con giunti di sopravanzo: P ponte, CVT variatore continuo, F frizione, R1 e R2 riduttori, G, G1 e G2 giunti di sopravanzo, V volano, M.P. otore priario.

4 velocità copatibile con il sistea di trasissione, si è scelta una velocità assia di rotazione pari a 8000 giri/in con corrispondente accuulo energetico di 129 Wh. Le iportanti diensioni del volano (diaetro 0.5 ) derivano dalla necessità di ettere in gioco nel veicolo una considerevole quantità di energia per far fronte alle elevate perdite innescate dalle frizioni. Per la soluzione con giunti di sopravanzo il volano scelto è a quattro dischi in lega di titanio Ti6Al4V (diaetro 0.25 ), con assia velocità di rotazione di giri/in e corrispondente accuulo energetico di 140 Wh (35 Wh per ciascun disco). In Tab. 1 sono riassunte le caratteristiche dei volani diensionati per la soluzione eccanica; B è l esponente della legge di variazione del profilo, δ il rapporto tra gli spessori del bordo esterno del disco e della corona, h 0 lo spessore al centro, S il coefficiente di sicurezza, e J la assa e il oento d inerzia, e la densità di energia accuulata. Volano B δ r [] h 0 [] ω ax [giri/in] S [kg] J [kg 2 ] e [Wh/kg] C Ti6Al4V Tab. 1 Volani per la soluzione eccanica (innesti a frizione, giunti di sopravanzo). Il sistea di sospensione del volano è stato scelto di tipo eccanico, affidando il copito di vincolo a cuscinetti eccanici convenzionali di cui sono state odellate le perdite, ipleentando ciò che si evince da [23]. La caera a vuoto, alloggiaento in cui viene inserito il volano, perette di antenere il sistea di accuulo nel vuoto e quindi di non subire perdite per effetto ventilante. Per il tipo di applicazione l ordine di vuoto proposto è pari a circa 10 Pa ed è realizzabile con l ausilio di una popa, che viene accesa non appena il livello di pressione nella caera non soddisfa le richieste. La popa assorbe potenza direttaente dal otore priario e un sensore di pressione la attiva e disattiva. L isolaento della caera a vuoto dall esterno è garantito ediante tenute eccaniche (O-ring) che isolano un volue riepito di olio. La potenza dissipata è dell ordine di circa 375 W per coppia di tenute. I sistei di innesto sono gli eleenti che perettono al volano di scabiare energia con l esterno. Nella soluzione con innesti a frizione sono odellate frizioni di tipo frontale onodisco a secco. Quale etodo di azionaento, non preso in considerazione perché irrilevante ai fini della siulazione, si propone l utilizzo di frizioni a coando elettroagnetico. Il blocco coprensivo degli innesti a frizione e del volano è governato dal sistea: ω C C J f1 = 0 t ω v Cf1 Cf 2 Cr J v = 0 (1) t ω c C C J = 0 f 2 c c t dove C f1 e C f 2 sono le coppie proprie degli innesti a frizione considerati, con il pedice si indicano le grandezze inerenti al sistea otore, con il pedice c coppia, inerzia e variazione di

5 velocità del sistea trascinato e con il pedice v la variazione di velocità e l inerzia del volano, C r è la coppia resistente offerta da tenute e cuscinetti eccanici. L Eq. 1 si odifica opportunaente al variare della condizione di esercizio del veicolo. Nella soluzione con giunti di sopravanzo il odello sviluppato prende in considerazione l interazione tra i giunti e gli ingranaggi che ne perettono il corretto funzionaento. Identificando coe 1 l albero priario, cioè quello dal quale entra la potenza, e coe 2 il secondario, cioè l albero che viene azionato dal funzionaento del giunto, il odello che descrive il funzionaento di un giunto di sopravanzo si scrive coe in Eq. 2 ed è quindi di natura puraente logica: se ω1 ω 2 C2 = C1 (2) se ω > ω C = La logica di controllo gestisce i flussi di energia del sistea ed è diversa a seconda della soluzione eccanica a cui fa riferiento. Nella soluzione con innesti a frizione, le fasi di innesto delle frizioni dipendono dalla velocità del volano e dalla velocità del sistea di trasissione del veicolo. La soluzione con innesti di sopravanzo utilizza una strategia di controllo insita nella sua natura: i flussi di potenza da e per il volano sono gestiti dalle velocità relative tra gli alberi di ingresso e uscita dei due giunti di sopravanzo SOLUZIONE ELETTROMECCANICA In questo tipo di soluzione il volano è calettato sull albero di una acchina elettrica in grado di funzionare sia coe otore sia coe generatore (Fig. 3). Quando il veicolo fornisce energia al gruppo inerziale di accuulo, sotto fora di corrente elettrica, la acchina funziona da otore e, generando coppia, va ad accelerare il volano; quando la potenza viene richiesta al gruppo, il pacco di dischi cede la sua energia cinetica alla acchina elettrica che si coporta da generatore. Questa strategia perette di disaccoppiare la potenza fornita dalla velocità di rotazione del volano e di avere quindi una aggiore flessibilità di gestione. La velocità assia a cui opera il volano non è dettata da fattori realizzativi e eccanici del volano stesso o del sistea di sospensione, a dalla acchina elettrica che al di sopra dei giri/in subisce un auento notevole delle perdite dovute alle correnti parassite e alle isteresi dei ateriali. Il diensionaento dei volani è quindi stato sviluppato in base a questo liite di rotazione. Sono state ipotizzate due velocità di lavoro tipiche: giri/in e giri/in. In funzione di tali velocità si sono identificati tre tipi di dischi base, due liitati a una velocità di rotazione assia di giri/in e il terzo con M 1 M 2 L.C. M/G GEN. V M.P. Fig. 3 Schea di soluzione elettroeccanica: M1 e M2 otogeneratori alle ruote, V volano, M.P. otore priario, GEN. generatore collegato al otore priario, M/G acchina elettrica collegata al volano, L.C. dispositivo di gestione dei flussi di potenza.

6 liite assio a giri/in. In Tab. 2 sono riassunte le caratteristiche dei volani utilizzati nelle siulazioni; il significato dei siboli è lo stesso di Tab. 1. Volano B δ Tab. 2 Volani per la soluzione elettroeccanica (3 taglie di acchina elettrica). La natura elettroeccanica del sistea ha suggerito di adottare un sistea di sospensione elettroagnetico attivo costituito da una coppia di cuscinetti elettroagnetici radiali e da un cuscinetto elettroagnetico assiale. Il odello SIMULINK sviluppato coputa sia le perdite per effetto Joule (dovute al norale funzionaento dei cuscinetti) sia le perdite per effetto di isteresi e per correnti parassite dovute alla rotazione relativa tra statore e rotore. La caera a vuoto che contiene il volano e la acchina elettrica counica con l esterno attraverso i cavi di alientazione del gruppo e le tubazioni per la refrigerazione dello statore della acchine elettrica, pertanto non richiede una popa dedicata per creare e antenere il vuoto. La acchina elettrica funziona sia da generatore sia da otore ed è stata assunta con coportaento sietrico nei due capi. Il otogeneratore adottato è una acchina elettrica sincrona trifase con controllo attuato attraverso un convertitore di frequenza. In una soluzione di tipo ternario, con la presenza di batterie per l accuulo di energia elettrica e di otori di trazione del veicolo da gestire a potenza costante, la strategia più opportuna per controllare il gruppo inerziale è quella a potenza costante. Pertanto, durante la fase di cessione di energia al veicolo, è opportuno che la acchina elettrica sia regolata dal controllo secondo tale logica. Naturalente la acchina non potrà lavorare sepre a potenza costante, in quanto esiste un liite di coppia assia. La caratteristica eccanica sarà quindi divisa in due zone il cui liite di distinzione è sancito dalla potenza assia e dalla assia coppia con la quale si vuole sollecitare il sistea (Fig. 4). La taglia della acchina è funzione del tipo di veicolo sul quale il gruppo dovrà r [] h 0 [] ω ax [giri/in] essere installato e delle caratteristiche del volano al quale è accoppiata. Il prograa che siula la acchina elettrica è strutturato in odo da valutare, in funzione del segno, se la potenza è entrante o uscente dal gruppo di accuulo e, nota la velocità di rotazione del S [kg] J [kg 2 ] e [Wh/kg] AlCu4Mg C Ti6Al4V Coppia [N] Velocità angolare [giri/in] Fig. 4 Caratteristica eccanica della acchina elettrica da 15 kw operante coe otore.

7 volano, calcola la coppia in gioco, debitaente ridotta del rendiento della acchina. Per realizzare ciò si è costruita una atrice di rendienti, funzione della coppia e del nuero di giri a cui la acchina opera. Sono stati siulati tre tipi di acchina elettrica: una da 10 kw con velocità assia di giri/in, una da 15 kw a giri/in e una da 30 kw a giri/in. Le prie due hanno in coune una coppia assia di 32 N, la terza un oento torcente assio doppio di 64 N. La logica di controllo che perette la gestione dei flussi di energia è sviluppata in odo da gestire quale sola grandezza la potenza elettrica fornita o richiesta al gruppo di accuulo. Infatti, essendo il sistea di accuulo del tutto indipendente dall evoluzione degli altri sistei, esso può scabiare potenza a qualunque velocità si uova il veicolo e indipendenteente dalle dinaiche proprie del gruppo stesso. Dato che il volano non deve superare una velocità assia, né ci si può perettere che esso vada a lavorare a un regie di giri troppo basso, è stato necessario fissare uno stato di carica inio che liiti il capo di velocità nel quale si possa derivare potenza dal volano. Gli estrei di questo capo sono deterinabili in funzione dell applicazione a cui è destinato il blocco. Il inio valore di velocità di rotazione a cui si può far lavorare il volano è quello che discriina tra funzionaento a potenza costante e funzionaento a coppia costante. Il controllo ipone che la potenza uscente dal blocco sia uguale al valore richiesto dal veicolo soltanto all interno del capo di lavoro. 4. RISULTATI DI SIMULAZIONE E CONFRONTO Nelle siulazioni nueriche effettuate si è analizzato il coportaento di una Fiat Brava 100 ELX nella configurazione coerciale di serie e in quella siulata ibrida. Il veicolo ibrido ha le edesie caratteristiche geoetriche di quello di serie, a da questo differisce in funzione del tipo di struttura utilizzata. L unica grandezza che cabia nel calcolo della potenza gestita dal veicolo è quindi la assa della vettura (Tab. 3). Le funzioni velocità-tepo e pendenza-tepo che sono state scelte fanno riferiento ai profili standardizzati ECE15 urbano-extraurbano (4 cicli urbani e 1 ciclo extraurbano ripetuti), ontano e isto (cobinazione casuale degli eleenti base dei precedenti). Dati generali Brava 100 ELX Brava ibrida (serie) Brava ibrida (parallelo) Peso netto veicolo [kg] Peso sistea di accuulo [kg] Peso sistea di trasissione [kg] Peso otore terico [kg] Peso totale veicolo [kg] Tab. 3 Veicolo di serie e veicoli ibridi siulati. La potenza calcolata è coprensiva sia della potenza che i sistei di propulsione devono fornire al veicolo sia di quella che il veicolo restituisce a eventuali sistei di accuulo. Quest ultia è coposta da due coponenti, una dovuta alla frenata rigenerativa e una legata al anteniento del veicolo a velocità costante in discesa. La potenza restituita e quella

8 richiesta dal veicolo sono state considerate prive di rendienti. Il rendiento calcolato dal siulatore dovrà pertanto essere successivaente elaborato dal rendiento del sistea veicolo, a la bontà del gruppo di accuulo è counque indipendente da quella dell intero sistea di alientazione. Soando algebricaente la potenza elaborata dal gruppo di accuulo alla potenza richiesta dal veicolo reso ibrido, prelevando i soli valori positivi ricavati da tale operazione e integrando nel tepo il risultato, si valuta l energia che gli altri sistei di propulsione equipaggianti il veicolo devono fornire per soddisfarne le esigenze. Prelevando la potenza richiesta dal veicolo di serie e integrandola nel tepo, si calcola l energia totale che le fonti di energia devono fornire. Eseguite queste due operazioni è possibile calcolare la percentuale di energia che si risparia attraverso l utilizzo di un volano coe sistea di accuulo, nelle due versioni eccanica (Tab. 4) ed elettroeccanica (Tab. 5). Soluzione Percorso urbano-extraurbano Percorso ontano Percorso isto Innesti a frizione 22% 19% 24% Giunti di sopravanzo 34% 40% 35% Tab. 4 Recupero energetico percentuale ottenuto dalle siulazioni delle soluzioni eccaniche, sui diversi percorsi analizzati. Soluzione Percorso urbano-extraurbano Percorso ontano Percorso isto Macchina elettrica 10 kw 11% 15% 9% Macchina elettrica 15 kw 14% 87% 13% Macchina elettrica 30 kw 13% 87% 15% Tab. 5 Recupero energetico percentuale ottenuto dalle siulazioni delle soluzioni elettroeccaniche, sui diversi percorsi analizzati. Fig. 5 Andaento della velocità di rotazione del volano e del consuo energetico per veicolo di serie e veicolo ibrido in configurazione elettroeccanica con acchina elettrica da 15 kw.

9 In Fig. 5 sono riportati, a titolo di esepio, alcuni risultati prodotti dal siulatore e in particolare: l andaento della velocità di rotazione del volano per il veicolo ibrido con soluzione elettroeccanica e acchina elettrica da 15 kw su percorso urbano-extraurbano e il confronto tra gli andaenti del consuo energetico del edesio veicolo ibrido e della vettura di serie, entrabe su percorso urbano-extraurbano. 5. CONCLUSIONI Nel lavoro sono presentati gli eleenti di un sistea di accuulo inerziale a volano (soluzioni eccanica ed elettroeccanica) ipleentati in un codice di siulazione. Sono state analizzate e indagate diverse soluzioni costruttive e confrontati i risultati di siulazione ottenuti. Dal lavoro di siulazione sviluppato si ettono in luce le seguenti considerazioni. Nel caso di soluzione eccanica, il sistea di accuulo con giunti di sopravanzo offre un recupero energetico aggiore in tutte le situazioni, a la aggiore coplessità realizzativa e il prevedibile aggiore ingobro, nonché costo, portano gli autori a suggerire la scelta del gruppo di accuulo con innesti a frizione. Nel caso di soluzione elettroeccanica, il sistea con acchina da 10 kw garantisce su tutti i percorsi siulati un recupero inore; particolarente evidente è il caso del ciclo ontano, dove la piccola inerzia del volano non riesce ad accuulare tutta l energia essa a disposizione dal veicolo durante la fase di discesa e frenatura. Gli altri due sistei con acchine elettriche rispettivaente da 15 kw e da 30 kw presentano invece recuperi energetici paragonabili. Per otivi di peso e coplessità costruttiva è consigliato, a parere degli autori, indirizzare la scelta sulla soluzione con acchina elettrica da 15 kw. L elevato recupero associato alla percorrenza del percorso ontano nel caso di acchine elettriche da 15 kw e 30 kw è dovuto alle favorevoli condizioni che si vengono a creare per il gruppo di accuulo inerziale a volano. In discesa si deterina una decelerazione che corrisponde a una grande fornitura di energia da parte del veicolo al gruppo di accuulo. Nel corso dell accelerazione in salita, la richiesta di potenza fatta al volano è sì di grande intensità a si protrae per tepi brevi, condizione favorevole per un gruppo di accuulo inerziale a volano. BIBLIOGRAFIA [1] J.G. Bitterly, "Flywheel technology past, present, and 21 st Century projections", Proc. of 32 nd Intersociety Energy Conversion Engineering Conference IECEC-97, Vol.4, 1997, pp [2] H.A. Rosen, D.R. Castlean, "Flywheels in hybrid vehicles", Scientific Aerican, Oct [3] P. Dietrich, M.K. Eberle, H.U. Hörler, "Results of the ETH-hybrid III-vehicle project and outlook", SAE , 1999, pp [4] P. Dietrich, "A successful research hybrid powertrain for a passenger car including a flywheel and a wide-range continuously variable transission", Electric Vehicle Syposiu EVS-14, Orlando, Florida, USA, 1997

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