STUDIO DI FATTIBILITÀ SULLA REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE IBRIDO

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1 ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI INGEGNERIA corso di laurea in INGEGNERIA MECCANICA Laboratorio di CAD STUDIO DI FATTIBILITÀ SULLA REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI PROPULSIONE IBRIDO Candidato: Luca Rizzi Relatore: Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 Consumi mondiali di petrolio AUMENTANO : COSTO PETROLIO COSTO BENZINA, GASOLIO INQUINAMENTO

3 NECESSARIE SOLUZIONI INNOVATIVE PRESENTE Combustibili alternativi : Metano, Gpl Aumento efficienza MCI : Common rail, multijet, multiair Downsizing FUTURO Celle a combustibile - idrogeno Presenti ancora difficoltà tecniche e costi molto elevati

4 FUTURO PROSSIMO MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA + PROPULSIONE IBRIDA MOTORE ELETTRICO Vantaggi : Svantaggi : MCI funzionante a punto fisso Recupero energia in frenata Funzionamento in modalità solo elettrica (emissioni zero) Meccanismo idle-off Maggiori costi d acquisto Sofisticata gestione del sistema Eventuale aumento peso e ingombro Autonomia solo elettrica limitata

5 IL PROGETTO Abbinare al motore turbodiesel Fiat 1.9 Jtd un motore elettrico brushless Il motore elettrico sostituisce il motorino di avviamento dal punto di vista fisico e funzionale Scelta delle batterie per l alimentazione del motore elettrico Stima dell autonomia in modalità solo elettrica Utilizzo di supercapacitori per il recupero dell energia in frenata Ideazione di tre possibili configurazioni dell autovettura

6 OBIETTIVI Soluzione economica per la realizzazione di una configurazione ibrida Ottenere una autonomia soddisfacente in modalità solo elettrica e quindi ridurre consumi di carburante ed emissioni nocive dell autovettura Salvaguardare la vita delle batterie tramite l utilizzo di supercapacitori per gli spunti di potenza Rendere compatibili i nuovi componenti con ingombri e pesi di una normale autovettura

7 MOTORE ELETTRICO La scelta ricade sui motori brushless (senza contatti striscianti): Alta efficienza Possibilità di funzionare sia da motore che da generatore Scarsa produzione di calore Alto rapporto potenza/dimensioni Scelto il top di gamma della Hacker motors : Hacker A-200 Potenza max Tensione alimentazione Peso Diametro W 42 V 2590 g 109 mm

8 BATTERIE Le batterie più prestazionali sono gli accumulatori Li-Po (litio-polimero): Vantaggi : Sono l evoluzione delle batterie agli ioni di litio (Li-ion) Polimero non infiammabile Maggiore sicurezza Densità energetica 20% maggiore delle Li-ion e 3 volte le Ni-Mh Non hanno effetto memoria Elevate correnti di scarica Svantaggi : Costi elevati Non possono essere completamente scaricate per evitare danneggiamenti

9 SCELTA BATTERIE Il motore Hacker può essere alimentato con 12 celle Li-Po (12 S) Tensione singola cella = 3,7 V Tensione totale = 44,4 V Vengono prodotte batterie con un certo numero di celle (2S, 3S, 4S, 6S ) Si può scegliere la configurazione più adatta per raggiungere le 12 celle necessarie Per ridurre al minimo i cablaggi si sceglie la configurazione con due batterie da 6S Scelta modello in base a: Capacità batteria Rapporto capacità/peso Capacità Dimensioni Peso Scelta batteria Hyperion G3 VX C Corrente di scarica Nom Max 6500 mah 160x47x70,8 mm 1011 g 228 A 423 A

10 STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO Utilizzo di un modello matematico per determinare la forza resistente (F R ) F R = P ( r 0 + i ) + ( k P + b ) v 2 P = peso r 0 = resistenza al rotolamento degli pneumatici i = tangente alla pendenza ( consideriamo i = 0) k = coefficiente di aumento resistenza rotolamento pneumatici b = coefficiente di resistenza aerodinamica v = velocità Moto a velocità costante Moto uniformemente accelerato F M v = Potenza motrice Forza motrice = Forza resistente F M = ( m a ) + F R Energia = Potenza t Script elaborati con il programma di calcolo Matlab 7

11 STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO Dati su accelerazioni, velocità e distanze teoriche percorse ricavati dalla normativa europea CICLO URBANO CICLO EXTRAURBANO

12 STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO Si ottengono così i consumi energetici in Watt-ora (Wh) Dividendo il consumo energetico per la tensione di alimentazione del motore elettrico ( 42 V ) si ottiene il consumo in Ampere-ora (Ah) Distanza percorsa Consumo per chilometro Ciclo Consumo per Totale consumo Distanza chilometro (Ah) percorsa (km) (Ah/km) Urbano 10,040 4,068 2,468 Extraurbano 11,514 6,956 1,655

13 DIMENSIONAMENTO PACCO BATTERIE Dimensiono prendendo come riferimento il consumo del ciclo urbano Consumo per chilometro = 2,468 Ah/km Capacità batterie = 6,5 Ah Coefficiente di sicurezza k = 0,8 Batterie esaurite per chilometro Numero batterie per km = Consumo per km / ( Capacità batteria k ) 0,47 batterie per chilometro consumate Autonomia voluta 60 km Numero batterie in parallelo V di alimentazione 2 batterie in serie

14 POSIZIONAMENTO PACCO BATTERIE DEFINITIVO Per motivi di sicurezza si è scelto di posizionare le batterie dietro al divano posteriore, luogo protetto in caso di incidente. Necessito di una configurazione delle batterie che tolga poco spazio al vano bagagli Dimensioni batteria: 160x47x70,8 mm 2 batterie per il lato da 47 mm 16 batterie per il lato da 70,8 mm 2 batterie per il lato da 160 mm Spessore 10 cm Larghezza 115 cm Altezza 33 cm TOTALE 64 BATTERIE

15 POSIZIONAMENTO PACCO BATTERIE DEFINITIVO 32 batterie in parallelo 2 file in serie 32 / 0,47 = 68 km di autonomia in modalità solo elettrica Peso pacco batterie 64 batterie 1,011 kg = 65 kg RISULTATI OTTIMI

16 SUPERCAPACITORI Sono condensatori elettrochimici a doppio strato Immagazzinano energia elettrica polarizzando una soluzione elettrolitica Elettrodi porosi : superfici di 2000 m 2 per grammo Funzionamento efficiente e reversibile Range di utilizzo tra -40 C e +65 C Capacità rimane sostanzialmente costante ad ogni temperatura

17 SUPERCAPACITORI Perché utilizzarli a fianco delle batterie: Efficienza di carica/scarica molto elevata Complementari alle batterie in quanto sono ottimi per fornire picchi di potenza per brevi periodi di tempo Efficiente recupero dell energia cinetica in frenata Risparmiano stress alle batterie prolungandone la durata e riducendone il numero complessivo Cicli di vita (carica/scarica) elevati Buon funzionamento anche a temperature estreme

18 SUPERCAPACITORI Modello di applicazione Fonte primaria : MCI Batterie Fuel-cell Richieste medie di potenza Supercapacitori Picchi di potenza Recupero energia

19 DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI Scelta tra i supercapacitori della Maxwell Technologies Dimensionamento per recuperare l energia cinetica di una frenata da 50 km/h Decelerazione media = 9 m/s 2 Potenza motore elettrico = W Rendimento da generatore ( η ) = 0,8 Tempo frenata = 1,5 s Energia ( E ) = Potenza t FRENATA η = J Maxwell serie BCAP Voltaggio max sistema = 44,4 V Voltaggio nominale cella = 2,7 V Numero celle in serie = V max / voltaggio cella = 17

20 DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI Voltaggio nominale Hacker (V N ) = 42 V Corrente funzionamento ( I ) = E / ( t FRENATA V N ) = 285,7 A Tempo rilascio energia ( t R ) = 2,5 Costante di tempo supercapacitore ( RC ) = 0,7 V = 5 V ( valore di primo tentativo ) Capacità sistema (C SIST ) = I ( t R RC ) / V 182 F C SIST = Capacità cella # celle parallelo / # celle serie # celle parallelo = 1 # celle serie = 17 Capacità cella = C SIST # celle serie 3100 F

21 DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI Il supercapacitore con la capacità più elevata è il BCAP3000 P270 con una capacità di 3000 F Rieseguendo i calcoli si ottiene: Capacità sistema = 176,5 F V = 5,2 V VALORI ACCETTABILI Pacco da 17 supercapacitori da abbinare a ciascun motore elettrico installato Peso 9 kg Dimensioni 37x19x14 cm

22 CONFIGURAZIONI DELL AUTOVETTURA Sostituzione del motorino di avviamento con il motore elettrico Hacker Configurazione classica: Motorino avviamento accoppiato al volano della frizione Frizione tra volano e cambio Disinnesto pignone motorino una avviato il MCI

23 CONFIGURAZIONI DELL AUTOVETTURA Sostituzione del motorino di avviamento con il motore elettrico Hacker Configurazione ideata: Inversione di frizione e volano Motore elettrico sempre accoppiato al volano Adozione di un cambio robotizzato (tipo selespeed) per non dover utilizzare una seconda frizione tra volano e cambio

24 CONFIGURAZIONI DELL AUTOVETTURA Condizioni di funzionamento Avviamento : Frizione innestata Cambio in folle Propulsione solo elettrica : Frizione disinnestata Ruote trasmettono il moto dal motore elettrico Cambi di marcia garantiti dal cambio robotizzato Propulsione con MCI : Frizione innestata Ruote trasmettono il moto dal MCI Motore elettrico funziona da generatore trascinato dal MCI

25 CONFIGURAZIONI DELL AUTOVETTURA Stima rapporto riduzione per l avviamento Motorino avviamento : 3 kw a 300 giri al minuto del volano Motore Hacker : caratteristica di potenza lineare 3 kw a 1590 rpm Rapporto riduzione ( i ) = 1590 / 300 = 5,3 Applicando una condizione di non interferenza ottengo il numero minimo di denti del pignone Per ottenere valori interi che abbiano i = 5,3 scelgo z 1 = 15,8 z 1 = 20 z 2 = 106 Adottando un modulo di 2,5 mm ottengo i diametri primitivi d 1 = 50 mm d 2 = 265 mm VALORI ACCETTABILI

26 PRIMA CONFIGURAZIONE 1 Motore Hacker accoppiato al volano 1 Pacco supercapacitori posto nel vano motore 1 Controller ed inverter

27 PRIMA CONFIGURAZIONE Motore Fiat 1.9 JTD Accoppiamento Hacker - volano frizione

28 SECONDA CONFIGURAZIONE 2 Motori Hacker accoppiati al volano 2 Pacchi di supercapacitori posti nel vano motore 2 Controller ed inverter Il pacco batterie complessivo è il medesimo

29 SECONDA CONFIGURAZIONE I due motori elettrici possono essere entrambe installati sul volano della frizione Ognuno sarà alimentato in modo autonomo dall altro, ma il pacco batterie rimane invariato

30 TERZA CONFIGURAZIONE 2 Motori Hacker : uno accoppiato al volano, l altro agente sull asse posteriore 2 Pacchi di supercapacitori : uno posizionato nel vano motore, l altro nel vano della ruota di scorta o contiguo alle batterie

31 TERZA CONFIGURAZIONE Ulteriore gruppo cambiodifferenziale per ottenere una configurazione a 4 ruote motrici I motori elettrici sono sempre alimentati in modo autonomo

32 PRESTAZIONI Calcolo dell accelerazione 0 50 km/h Utilizzo del modello di resistenza aerodinamica presentato in precedenza PRIMA CONFIGURAZIONE POTENZA 15 kw tempo (s) 0 50 km/h in 14,4 s SECONDA e TERZA CONFIGURAZIONE POTENZA 30 kw Velocità (km/h) 0 50 km/h in 6,5 s

33 CONCLUSIONI La realizzazione del sistema di propulsione ideata partendo da una base già esistente è fattibile e potrebbe essere una soluzione economica Il sistema ibrido realizzato diesel - elettrico è innovativo e realizzabile senza troppo modifiche e permette di risparmiare l installazione di alcuni componenti come l alternatore Per la produzione in serie dovrebbe comunque essere realizzato un motore elettrico ad hoc che possa arrivare a rpm : il motore Hacker presenterebbe problemi di sovravelocità se trascinato dal MCI a causa del rapporto di riduzione tra motore elettrico e albero motore Si è raggiunto un buon valore di 60 km di autonomia del veicolo in modalità solo elettrica Pesi dei componenti aggiunti contenuti : kg Buone prestazioni soprattutto per la versione da 30 kw

34 GRAZIE PER L ATTENZIONE