I veicoli elettrici e ibridi

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1 POLITECNICO DI MILANO Dipartimento di Meccanica I veicoli elettrici e ibridi Dinamica e Controllo dei Veicoli F. L. Mapelli 1

2 Politecnico di Milano Dip. di Meccanica Contenuti Introduzione. Veicoli Elettrici e Ibridi Le Batterie per i veicoli elettrici e ibridi L utilizzo dell idrogeno (fuel cell) Gli azionamenti elettrici di trazione Il controllo dei veicoli Elettrici/Ibridi Ibridizzazione automotrice Ferroviaria Aln668 Ibridizzazione Fiat Punto

3 Introduzione Le problematiche ambientali spingono per lo sviluppo di veicoli ad emissioni ridotte o nulle, sia per l ambito automobilistico che ferroviario. Esistono le seguenti possibilità: Veicoli elettrici Veicoli ibridi (motore endotermico+elettrico) Veicoli ibridi a idrogeno (fuel cell+motore elettrico) Veicoli a combustione interna ad idrogeno. La propulsione elettrica e ibrida (basata su motori endotermici ed elettrici) appare come una soluzione attuabile per la riduzione delle emissioni. L utilizzo di un sistema ibrido basato su celle a combustibile ed accumulo ad idrogeno appare come una via percorribile per ottenere in futuro veicoli. Nei veicoli elettrici l energia necessaria al moto è immagazzinata in un accumulatore elettrochimico (batteria). Nei veicoli ibridi esiste quindi una sorgente primaria di energia basata su di un combustibile (idrocaburi o idrogeno), ed una sorgente ausiliaria reversibile (batteria). Esiste poi una catena di conversione (basata su oggetti elettrici, elettronici e meccanici) per arrivare dalle sorgenti energetiche alla propulsione. 3

4 Schema veicolo Propulsione Elettrica Elementi del Power Train: Controllo del moto ed energetica Batteria di Accumulatori e capacità (sorgente) DC/AC: Convertitore elettronico Inverter M 3f : Motore elettrico in corrente alternata Trasmissione a rapporto fisso. Batteria DC AC M 3 Capacità Controllo Trazione Meccanica Elettrica Controllo 4

5 Veicoli Elettrici Vantaggi: assenza cambio/frizione. Recupero dell energia in frenatura. Elevata efficienza nella conversione energetica. Zero emissioni all utilizzo. Svantaggi: Limitata autonomia ( km). Limitate prestazioni (120 km/h vel. max.). Tempi di ricarica (4-7 h) Costi ancora elevati. Prezzi abbordabili grazie agli eco-incentivi. 5

6 Esempio Auto Elettrica City Car 6

7 Schema veicolo Propulsione Ibrida 7

8 Veicoli a propulsione ibrida Nel veicolo ibrido la sorgente primaria di energia brucia un combustibile (idrocarburi, idrogeno) trasformandolo direttamente in energia meccanica oppure azionando un generatore elettrico. La sorgente ausiliaria è reversibile (può anche accumulare energia, ad esempio dalla frenatura) e contribuisce a fornire energia elettrica da utilizzarsi per la propulsione. Esistono differenti tipologie: i) Ibrido Serie ii) Ibrido Parallelo iii) Ibrido Bimodale Le due sorgenti hanno una energia nominale immagazzinata e una potenza nominale. I rapporti tra i valori di potenza e energia delle due sorgenti definiscono i gradi di ibridizzazione 8

9 Veicolo Ibrido Serie La sorgente primaria produce energia elettrica e garantisce l accumulo di energia nella sorgente ausiliaria. L energia elettrica complessiva è utilizzata da un azionamento elettrico di trazione. Esistono due possibili sorgenti primarie: * gruppo motore C.I.+generatore elettrico, * cella a combustibile a idrogeno (fuel cell); Il flusso energetico percorre in serie: sorgente primaria, sorgente ausiliaria, azionamento elettrico (inverter+motore), trasmissione, ruote. Le sorgente ausiliaria è solitamente una o l insieme delle seguenti: Accumulatore elettrochimico (batterie) Capacità (condensatori E=1/2 CV 2 ) Volano con azionamento elettrico (E=1/2 Jω 2 ) 9

10 Ibrido serie con motore C. I. 10

11 Ibrido serie con motore C. I. Vantaggi Nessun legame fisico tra M.C.I. e ruote (assenza frizione/cambio) M.C.I di potenza ridotta Lavora a velocità e carico pressoché costanti Piene prestazioni in puro elettrico Ottimo Controllo di coppia trazione/frenatura Svantaggi Componentistica elettrica dimensionata per la piena potenza veicolo. Presenza del Generatore elettrico dimensionato per la piena potenza Batterie molto ingombranti 11

12 Ibrido serie ad Idrogeno 12

13 Ibrido serie con Celle a Combustibile (Idrogeno) Vantaggi Emissioni ridottissime (se l idrogeno è usato come combustibile). Elevata efficienza complessiva. Svantaggi (Attualmente) Costi elevati. Problemi di produzione/stoccaggio idrogeno. Problematiche di sicurezza per l idrogeno a bordo. Durata e Affidabilità 13

14 Propulsione Ibrida: Parallela Controllo del moto ed energetica Motore endotermico Cambio Batteria DC AC M 3 Capacità Controllo Meccanica Elettrica Controllo 14

15 Ibrido parallelo Vantaggi Costi in linea con le attuali automobili Componenti elettrici (azionamento e batterie) dimensionati non per la piena potenza Svantaggi Prestazioni con uno solo dei due motori attivi ridotte. Autonomia in puro elettrico ridotta. 15

16 Propulsione Bimodale: Parallela Controllo del moto ed energetica Equipaggiamento di Serie Vettura tradizionale Motore endotermico Cambio Batteria DC AC M 3 Capacità Controllo Componenti aggiuntivi (kit di ibridizzazione) 16

17 Veicolo Ibrido Bimodale Parallelo Vantaggi Si modifica una vettura di serie aggiungendo un azionamento elettrico. Possibilità di funzionare con motore endotermico a piene prestazioni Possibilità di funzionare con il solo motore elettrico con prestazioni e autonomie ideali per utilizzo cittadino (vel-max 70 km/h autonomia 40 km) Modalità di funzionamento miste molto interessanti (ricarica, ibrido parallelo per riduzione consumi carburante ed emissioni) Svantaggi Costi trasformazione attualmente ancora elevati Riduzione Vano Bagagliaio Aumento dei pesi veicolo. 17

18 Efficienza Energetica Veicoli Confronto efficienza (dal combustibile fossile alla ruota) su viaggio di 110 km. Veicolo tradizionale M.C.I. η= 28 % Veicolo elettrico η= 32% (energia elettrica prodotta in centrale termoelettrica) Veicolo ibrido (serie o parallelo) con produzione energia elettrica a bordo η= 40,5% Veicolo ibrido a fuel cell η= 43% (idrogeno ) 18

19 Raffronto Tecnologie Veicoli Energetica/Ambientale 19

20 Conversione elettrochimica PILA se il dispositivo è irreversibile ACCUMULATORE o BATTERIA se il dispositivo è irreversibile Cu ++ Cu + 2e Zn + 2e Zn ++ Tipologie di accumulatori: Piombo acido Piombo sigillata o gel Nickel-Cadmio Nickel-Idruri di metallo Nickel-Zinco Ioni di litio Zebra (Ni-NaCl) 20

21 Dati di targa delle batterie CAPACITÀ ([Ah]): quantità di corrente che la batteria completamente carica può fornire in una fase di scarica di durata indicata, in determinate condizioni (per un ora ad esempio). ENERGIA SPECIFICA ([Wh/kg): energia elettrica accumulabile per unità di massa POTENZA SPECIFICA ([W/kg]): potenza elettrica accumulabile per unità di massa Tensione Nominale: Valore della tensione che erogano in pieno stato di carica. Numero di cicli: numero di cicli di carica/scarica completa che possono compiere prima di danneggiarsi e dover essere sostituite 21

22 Le batterie al piombo (Pb acido, Pb gel) anodo di polvere di piombo (Pb) catodo di diossido di piombo (PbO 2 ) Potenziale elettro-chimico 2,1 V Vantaggi correnti molto elevate affidabile lunga vita costi contenuti Svantaggi bassa energia specifica contiene piombo (problema parzialmente risolto con le Piombo gel) pesi e ingombri elevati ANODO Pb + HSO 4 - -> PbSO 4 + H+ + 2e- CATODO PbO 2 + 3H+ + HSO e- -> PbSO 4 + 2H 2 O Reazione completa PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 -> 2PbSO 4 + 2H 2 O 22

23 Le batterie al nickel (NiCd, NiMH, NiZn) anodo leghe metalliche al nickel catodo di nickel Potenziale elettro-chimico 1,4 V Vantaggi elevata energia specifica elevata potenza specifica Svantaggi basso numero di cicli necessità di una fase iniziale di rodaggio Costi Nichel Cadmio: 2 NiO(OH) + Cd + 2 H 2 O 2 Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Nichel Idruri Metallici: Anodo: MH + OH- -> M + H 2 O + e- Catodo: NiO(OH) + H 2 O + e- -> NiO(OH) 2 + OH- Reazione completa MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH) 2 23

24 Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) Anodo: atomi di litio immersi in strati di grafite Catodo: il catodo è un sale (solitamente LiMn2O4) Potenziale elettro-chimico 3,7 V Reazione Anodica Reazione Catodica Vantaggi elevata energia specifica elevata potenza specifica nessun effetto memoria Svantaggi costo ancora elevato prestazioni variabili a seconda della qualità delle materie prime 24

25 Le batterie ZEBRA (Ni-NaCl) Elementi costitutivi: celle sodio-nickel Funzionano a temperatura di 280 C con elettrolita fuso a clururo di sodio Reazione Completa: 2Na + NiCl 2 Scarica 2NaCl + Ni Carica Vantaggi elevata energia specifica nessun elemento tossico (sale!) Svantaggi funziona a temperatura elevate (300 C) si auto scarica in 8-10 giorni 25

26 Confronto Potenza Energia Specifica Batterie 26

27 Tabella ConfrontoBatterie Zebra Wh/kg h 100 % 2.8 V Le tecnologie attualmente utilizzabili e promettenti per i veicoli sono le batterie al litio, le batterie Zebra e le NiMH. Le batterie al Piomborimangono una tecnologia economica per i veicoli senza prestazioni stringenti 27

28 Idrogeno: Cella a combustibile - H + H + H + H + + i L idrogeno può essere stoccato a bordo oppure ricavato da un idrocarburo (metanolo stoccato a bordo) tramite un processo di reforming. L anodo è alimentato con idrogeno (H 2 ). Il catodo con ossigeno o aria. All anodo il catalizzatore trasforma H 2 in H +. Gli elettroni migrano al catodo attraverso il circuito elettrico producendo corrente elettrica. Gli ioni H + migrano al catodo attraverso la membrana. Al catodo avviene la reazione che combinando O 2 H + ed e - produce acqua. 28

29 Veicolo a Idrogeno (fuel cell) 29

30 Tipologie di celle a Combustibile 30

31 Reforming dell Idrogeno A partire dal metano si può ottenere idrogeno CH4 + H20 = CO + 3H ,1kJ 1 CH4 + O2 = CO + 2H2 37,7 kj 2 Vantaggi: * Stoccaggio a bordo veicolo di un idrocarburo (meno pericoloso dell idrogeno) * Non vi è necessità di riconvertire le stazioni di rifornimento Svantaggi: * Presenza anche del reforming a bordo * Emissioni di CO 2 (molto minore dell equivalente a C.I.) Oppure usare Direct Methanol Fuel Cell (fuel cell che usano direttamente metanolo) 31

32 La tecnologia ad idrogeno La tecnologia ad idrogeno non è ancora matura per essere introdotta vanno risolti i seguenti problemi: * Problematiche di sicurezza per lo stoccaggio a bordo. * Costi (una city car oggi costa ) * Infrastrutture per la distribuzione agli utenti * Metodologie per produrlo. * Durata e affidabilità delle celle (ora siamo a 3000 ore) 32

33 Gli Azionamenti Elettrici per i Veicoli Elettrici e Ibridi I motori elettrici più usati sono: Motori in CC a Magneti permanenti o Ecc. Sparata (piccoli veicoli) Motori Brushless veicoli ibridi paralleli Motori Asincroni veicoli elettrici di medie grosse dimensioni (ibridi serie) Convertitore: Chopper per i motori in C.C. Inverter per Motori Brushless e asincrono Controlli: Controllo Vettoriale (la coppia è controllata attraverso la corrente) Controlli Diretti di Coppia Tecnologia Digitale Digital Signal Processor (firmware) 33

34 Il motore asincrono Rotore Avvolgimento e pacco statorico Carcassa statorica con raffreddamento Il motore asincrono è costituito ad acqua da uno statore con avvolgimento trifase e da un rotore con un avvolgimento trifase a barre poste in contro circuito. 34

35 Rotore a Gabbia Per ridurre i costi, visto che sono collegati a stella e in corto tra di loro, glia avvolgimenti di rotore si realizzano con conduttori a barre cortocircuitati in modo di formare una gabbia. G i ra i rb i rc a) a)collegamento avvolgimenti rotorici b) realizzazione avv. rotorici mediante gabbia b) 35

36 Risoluzione circuito semplificato 36

37 Coppia e Potenza (relazioni semplificate) Le relazioni seguenti danno la coppia e la corrente in funzione di: velocità di sincronismo (frequenza di alimentazione) Tensione V (concatenata) Velocità di rotazione meccanica (attraverso lo scorrimento s=(ω o -ω)/ω o ) P m 37

38 Caratteristiche: Corrente, Coppia, Potenza in funz. velocità s=1 ω=0 s=0 ω=ω 0 38

39 Funzionamento sui 4 quadranti La coppia diventa negativa (generatore quindi frena) se s<0 Per cambiare il senso di rotazione si cambia il senso ciclico delle fasi 39

40 Caratteristiche variazione di Tensione e di frequenza La coppia dipende da s. All aumentare dello scorrimento aumenta la coppia Se s è negativo anche la coppia è negativa. 40

41 L inverter per la Trazione Politecnico di Milano Dip. di Meccanica Inverter 3-fase a IGBT Sorgente di Alimentazione (batteria, generatore fuel cell) e filtro. L inverter è in grado di Variare tensione e frequenza in uscita con Il metodo PWM o con Il metodo a 6 gradino Motore asincrono Gear Box 41

42 Regolazione a Frequenza e Tensione variabili con Inverter C 42

43 Curve Coppia Massima e Nominale Coppia Massima Coppia Nominale 43

44 Macchina asincrona: Circuito per il controllo vettoriale Si utilizza un altro circuito semplificato La potenza erogata è uguale a quella dissipata sulla resistenza fittizia Rr/s E come il motore in CC a ecc. indip. V s R s Circuito Equivalente a Regime L ks I s E M I d d I q R r s Ci sono due correnti (le componenti del fasore) una che regola il flusso e l altra la coppia. C = nψr Iscosγ = nm Id Iq = K(I d )I q V s q E = jωl ks I s R s I s jωψ r P t =CΩo=3EI q Diagramma dei Fasori I = I + s sd ji sq γ I s I q I d ψ r Id è legata al flusso Ψ r Iq è legata alla coppia θ s R sa α s d 44

45 M. Asincrona: Schema di massima del controllo Vd Vettoriale dc ϑ GS.. PWM v sabc,,, rif T 1 ( ϑ ) INVERTER ia v a v b v c ib ic M ϑ S v d v q T ( ϑ) T rif Regolatore i d i q MCC... equivalente ϑ d dt Il controllo viene effettuato sulle componenti dei fasori cioè controllando una sorta di Macchina in C.C. equivalente virtuale; Le componenti id, iq si ottengono dalle misure di ia,ib e ic e dalla trasformazione T(θ); Le tensioni da applicare alla macchina va,b,c rif si ottengono dalle componenti vd,q attraverso la trasformazione inversa T -1 (θ) ; Sono presenti: i) un blocco di calcolo G.S. P.W.M. che calcola gli impulsi PWM ii) l inverter che applica alla macchina gli impulsi di PWM alimentandola con le tensioni 45 necessarie al controllo

46 Componenti dell azionamento Elettrico Componenti Fondamentali: * sorgente di alimentazione * convertitore elettronico di potenza * motore elettrico * controllo Componenti Ausiliari * impianto di raffreddamento motore * impianto di raffreddamento convertitore * sensori (elettrici meccanici termici) * alimentazioni ausiliarie (impianto a 12-24V ) * interfacciamento con pilota e impianto veicolo 46

47 La caratteristica Meccanica dell Az. Elettrico L azionamento elettrico ha una caratteristica di forza di trazione che corrisponde all inviluppo della caratterista di un cambio manuale + MCI. La coppia nominale (forza di trazione) alla velocità massima corrisponde alla resistenza all avanzamento a tale velocità. F v0 I II III F prodotta da un M.C.I. F resistente alla avanzamento (pianura) F Azionamento Elettrico (Max) F Azionamento Elettrico (Nom) IV F vm V 0 v vo v vm v 47

48 Il controllo nei veicoli Elet./Ibridi Controllo di trazione az. Elettrico Controllo motore C.I. Controllo sistemi di accumulo energetico (batterie-generatore, fuel cell, ricarica in moto, recupero in frenatura etc. etc.). Controllo del moto e dinamica del veicolo Interfacciamento e gestione modalità di funzionamento veicolo Interfacciamento con dispositivi di controllo veicolo (ABS, ESP, EPS, Strumentazione) Rete di comunicazione veicolare CAN (Controller Area Network) 48

49 La progettazione Integrata Analisi prestazioni e servizio veicolo. Modello energetico e dimensionamento componenti sistema propulsione. Analisi Consumi ed Emissioni inquinanti. Progettazione componenti e layout. Modello/i dinamico completo studio sistema di controllo e stabilità (moto, energetica, conversione elettronica, azionamento elettrico, trasmissione /cambio, stabilità e dinamica veicolo). Attività sperimentali. 49

50 Ibridizzazione Automotrice Diesel ferroviaria Aln 668 Sostituzione dell attuale propulsore diesel con un sistema ibrido serie (motore diesel-generatore sincrono- batterie-zebra- azionamento ad inverter e motore asincrono, trasmissione ). Studio di ibridizzazione con sorgente primaria ad Idrogeno. Simulatore e definizione logiche di controllo. Fv0 I II F motore diesel attuale F resistente F ibrido III FvM 0 vvo IV V vvm v 50

51 Ibridizzazione Automotrice Aln 668 Scelta caratteristica di trazione azionamento F v F v0 F vm I ' r I * r M v v0 v v2 v vm v v T m Ω m a) Trasmissione con cambio a 2 rapporti b) trasm. rapporto fisso Lay-out e ottimizzazione componenti a) Tˆ rm V r K 1 K 2 Dimensionamento componenti ^ Ω w Ω w2 Ω wm Ω w Simulatore di veicolo Controllo e gestione moto ed energia 400 Motor Speed - Distance 6000 Tˆ V r b) T mr V m Î Ω m Ω r T M P m Ω * =Ω mm /e * m I r Ω Ω mm [rad/sec] [s] [ ] 51

52 Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2 Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un azionamento elettrico ad inverter motore asincrono alimentato da batteria al litio Propulsione risultante Ibrida Parallela possibili le seguenti modalità: 1. Funzionamento in puro endotermico con piene prestazioni 2. Funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero emissioni (vel. Max. 75 km/h autonomia 30 km ciclo ECE urbano) 3. Funzionamento ibrido parallelo (entrambi i motori attivi) con riduzione consumi ed emissioni e recupero di energia in frenatura operata anche in elettrico. Problematiche di dimensionamento layout controllo 52

53 Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2 Velocità [km/h] Potenza erogata dalle batterie [kw] Riferimento Effettiva Ciclo ECE Time [s] Ciclo ECE Pmax = 29.2 Kw Pmax = 26.2 Kw -5 Senza aux Con aux Time [s] Implementazione modello energetico per il dimensionamento dei componenti e simulazioni di verifica. Studio e progettazione della trasmissione meccanica per l azionamento elettrico da integrare con il gruppo cambio-trasmissione esistente. Sistema di controllo e coordinamento del propulsore ibrido parallelo risultante e gestione energetica di bordo. Modello dinamico completo per analisi dei controllori. Attività sperimentali di verifica. Ottimizzazione dei componenti e del controllo. 53

54 Conclusioni Politecnico di Milano Dip. di Meccanica I veicoli ibridi ed elettrici possono contribuire ad una riduzione delle emissioni inquinanti ed ad un risparmio energetico e delle risorse di idrocarburi. I veicoli Ibridi ad idrogeno sono sulla carta i migliori ma la tecnologia ad oggi non è completamente matura. I veicoli elettrici ed ibridi invece sono realizzabili si da ora. I veicoli elettrici (aventi emissioni nulle dove utilizzati) sono ottimali per tutti gli impieghi di bassa percorrenza e limitate prestazioni. I veicoli ibridi (serie, parallelo e bimodale) hanno le medesime prestazioni dei veicoli tradizionali ma con un migliore efficienza e diminuzione delle emissioni. Chi affronta la progettazione e lo studio di tali veicoli deve possedere una competenza trasversale di tutte le tecnologie impiegate. 54