Veicoli ibridi. Panorama 27/11/2011. Veicoli su strada: Ibridi. Veicoli ibridi. Veicoli convenzionali. Veicoli a impatto zero

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1 Veicoli ibridi Panorama Veicoli a batteria Veicoli a celle a combustibile Veicoli convenzionali Veicoli ibridi Veicoli a impatto zero 1

2 Panorama Veicoli ibridi Micro-hybrid Mild hybrid Hybrid (serie, parallelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione range elettrico) Start and stop: fermata motore endotermico durante la sosta e riaccensione <400ms Recupero energia cinetica in frenatura ssistenza al motore endotermico per la prolulsione Partenza in «full electric» Possibilità di guida in modalità «full-electric» 2

3 Veicoli ibridi Micro-hybrid Mild hybrid Hybrid (serie, parallelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione range elettrico) Ibridizzazione finalizzata all assistena al motore endotermico principale Ibridizzazione finalizzata ad una elettrica vera e propria Micro-hybrid Nel micro-ibrido è presente un sesnore posizionato sul pedale del freno. Una centralina controlla la velocità del veicolo e, quando questa è pari a zero ed è premuto il pedale del freno, il motore a combustione interna viede «spento». Nel momento in cui si rilascia il pedale del freno, in meno di mezzo secondo un motore elettrico riavvia istantaneamente (con un tempo inferiore a 400ms nel dispositivo VLEO, ad es.) l endotermico. I micro-ibridi sono solitamente equipaggiati con motori elettrici «convenzionali», solitamente a megneti permenenti e con una tensione di oltre 100V. Le potenze si aggirano intorno ai 2kW. I motorini di avviamento «tradizionali» sono alimentati a 12 o a 42V e sono solitamente motori in servizio di «durata limitata». d es. possono andare da 500W a oltre 3-5kW in servizio S2 3

4 Mild hybrid Riescono a garantire una riduzione dei consumi di circa il 10-15%, recuperando energia cinetica durante la frenatura e usandola per alimentare un motore elettrico di durante le accelerazioni. L accumulo energetico è fatto attraverso pile al litio o, ultimamente, si tende ad utilizzare superdondensatori. Infatti, la batteria tradizionale non ce la farebbe a gestire i picchi (positivi e negativi) di corrente per supportare questa modalità operativa. Mild hybrid Una evoluzione del «Mild-hybrid» prevede un supporto alla del motore endotermico principale durante l intero ciclo di lavoro, per supportare lo stesso nelle fasi di maggior richiesta di corrente. Quindi, anche quando il veicolo è in marcia e c è bisogno di una ulteriore accelerazione (nel caso precedente, i supercondensatori sarebbero ancora scarichi perché non è interventua una franatura) il motore elettrico può intervenire come supporto. 4

5 Mild hybrid Hybrid (serie, parallelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione range elettrico) Sono presenti due unità di : una endotermica e una elettrica. Possono essere diversamente combinate fra di loro per ottenere diverse prestazioni in termini di dinamica, consumi e autonomia. 5

6 Hybrid (serie, parallelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione range elettrico) La figura rappresenta la proprietà del motore termico intesa come rendimento termico in funzione della coppia erogata. Le isole colorate rappresentano aree di consumo costante (g/kwh). La posizione delle aree verdi evidenzia che più il motore è sotto carico, migliori sono le prestazioni in termini di consumi, e così il rendimento termico. Hybrid (serie, parallelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione range elettrico) 6

7 se si Hybrid Spegne e si accende istantaneamente al semaforo o nel traffico Se recupera l energia cinetica per riutilizzarla in accelerazione e lavora ad una tensione maggiore di 60V Se ha un motore elettrico che assiste il motore endotermico nelle fasi di richiesta di maggiore potenza Se ha la possibilità di lavorare per intervalli di tempo in «full electric» Se può ricaricare le batterie dell esterno, mendiante la presa di casa o stazioni di ricarica (con autonomia di Prof. almeno Giuseppe 30 km) Tomasso - Università di Cassino In generale un veicolo è Un veicolo convenzionale Un microibrido Un ibrido leggero Un «full hybrid» Un ibrido plug-in Un ibrido «potente» (SUV) Hybrid 7

8 Hybrid Hybrid serie Combinato serie/parallelo parallelo 8

9 Hybrid: serie P Potenza elettrica/uscita Potenza ICE Ricarica batterie recupero t La presenza delle batterie e del supercaps (eventuale) consente di incidere sulla dinamica senza aumentare i consumi. Il sistema di controllo dovrà fare in modo di mantenere il SOC delle batterie (e degli eventuali supercaps) fra il 40% e l 80% circa. ICE ON ICE OFF Hybrid: diesel-elettrico L accoppiamento diretto generatore-motore di è utilizzato principalmente nelle seguenti applicazioni: Trazione ferroviaria (perché il motore elettrico è l unico che garantisce una coppia massima e, comunque, diversa da zero a velocità nulla. Propulsione navale (nelle grosse navi, la trasmissione meccanica fra il gruppo diesel, posizionato al centro dello scafo per bilanciare il peso, e l elica di a volte è impossibile o non conveniente a causa delle enormi distanze. Si preferisce, quindi, trasmettere energia t elettrica e non meccanica, anche perdendo sul rendimento. 9

10 Hybrid: parallelo Hybrid: parallelo differenza dell ibrido serie, la configurazione parallelo consente di «sommare» le potenze erogate dal motore endotermico e da quello elettrico, mantenendo la possibilità di poter lavorare anche in all-electric ma anche solo in endotermico. 10

11 Hybrid: parallelo P Potenza elettrica/uscita Potenza ICE Ricarica batterie recupero differenza dell ibrido serie, la configurazione parallelo consente di «sommare» le potenze erogate dal motore endotermico e da quello elettrico, mantenendo la possibilità di poter lavorare anche in allelectric ma anche solo in endotermico. ICE ON ICE OFF ICE ON Hybrid: parallelo P Potenza uscita Potenza elettrica Potenza ICE recupero Ricarica batterie Le prestazioni dinamiche possono anche essere aumentate, a discapito del rendimento, andando a modulare la potenza del ICE e spostandolo, quindi, dal punto di massimo rendimento. ICE ON ICE OFF ICE ON 11

12 Hybrid: Posttransmission parallel In questa configurazione, il motore elettrico è posizionato dopo il motoriduttore che, quindi, è applicato solo al ICE. E una struttura più semplice da integrare nel sistemi produttivi di veicoli tradizionali. Si usa anche come soluzione per l ibridizzazione dei veicoli già esistenti (retrofit) Hybrid: Pretransmission parallel In questa configurazione, il motore elettrico è posizionato in tandem con l ICE e prima del motoriduttore. Entrambe le coppie, quindi, sono sommate all ingresso del motoriduttore. Non essendoci una coppia addizionale applicata all uscita del motoriduttore, l efficienza di trasmissione aumenta. E una struttura più compatta, utilizzata per veicoli che nascono come ibridi. La struttura di trasmissione alle ruote rimane quella tradizionale. 12

13 Hybrid: «Through the road» parallel La trasmissione della coppia viene fatta attraverso due assi di rotazione diversi. La somma delle coppie viene effettuata direttamente «sulla strada». Esempio di dimensionamento Parametri di un veicolo Parametro Valore Unità Massa 1767 kg Gravità 9.81 m/s 2 Coeff. ttrito 0,015 ensità aria 1,225 kg/m 3 Coeff. penetrazione aria 0.35 rea sezione frontale 1.93 m 2 Inerzia ruota kg/m 2 Raggio ruota 0,2794 m Vento 0 m/s Parametri dinamici ccelerazione da 0 a 100 km/h in 16 secondi Pendenza 5 a 100km/h e massimo 25 a 60km/h Velocità 160km/h (solo ICE), 140km/h (solo elettrico) Il dimensionamento è solitamente effettuato rispettando i vincoli dinamici con la minima potenza Ibridi: dimensionamento 13

14 Forza di trazione Regione a coppia costante Esempio di dimensionamento Regione a potenza costante Per il motore elettrico V r m V r v Velocità lineare ccelerazione da 0 a 100 km/h in 16 secondi Pendenza 5 a 100km/h e massimo 25 a 60km/h Velocità 160km/h - (parallelo), 140km/h (serie) Il dimensionamento è solitamente effettuato rispettando i vincoli dinamici con la minima potenza Ibridi: dimensionamento Esempio di dimensionamento Step 1: componente stazionaria Ricordando la relazione che esprime la forza di trazione, si ha: d 2 vxt F 2 xt G d, pc tan c vxt maxt Come primo step, si può valutare la componente della forza «stazionaria», e cioè quella in grado di movimentare il veicolo alla massima velocità e sulla massima pendenza. Per la massima pendenza: F d 2 2 xt, _ max G d, pc tan max xt, _ max max cv Gtan P F * v motore, n, xt _ max xt, _ max Ibridi: dimensionamento 14

15 Esempio di dimensionamento Step 1: componente stazionaria Considerando il funzionamento in condizioni standard con pendenza quasi nulla o minima, la potenza per sostenere il veicolo alla veocità massima è data da: F d 2 G tan c v 2 xt, v _ max d, pc min xt, v _ max d 2 G cv 2 xt v d, pc, _ max P F * v motore, n, v xt, v_ max xt, v_ max Ibridi: dimensionamento Esempio di dimensionamento Step 2: componente dinamica Per quanto riguarda la forza inerziale, si può considerare che: FxT, tot max FxT, v _ max, FxT, _ max FxT, a maxt da cui: dv FxT, a axt dt m Integrando, si ottiene va ta dv m dt F 0 xt, a 0 dv m F v a = 100km/h t a = 16 secondi xt, a dt Ibridi: dimensionamento 15

16 Esempio di dimensionamento Forza di trazione Regione a coppia (forza) costante Step 2: componente dinamica Regione a potenza costante va ta dv m dt F 0 xt, a 0 v r m v r v Velocità lineare va ta dv m dt ta P 0 xt, a / v 0 vrm va dv dv m m ta P 0 xt, a / v PxT, a / v v rm 2 2 m v 0 a v rm v rm v rm t a PxT, a 2 2 m P v v 2 2 xt, a rm a 2ta Ibridi: dimensionamento Esempio di dimensionamento Step 3: potenza totale Volendo considerare anche la componente stazionaria, si ha: vrm dv m d PxT, a / vrm G d, pc tan cv va dv m ta d 2 2 vrm PxT, a / v G d, pc tan cv PxT, a potenza massima Ibridi: dimensionamento 16

17 Esempio di dimensionamento Step 3: potenza totale Ibrido serie: P xt,a sarà la potenza con cui si andrà a dimensionare il motore elettrico. Il motore ICE sarà dimensionato per la potenza dell elettrico, più l aliquota degli ausiliari di bordo (si arriva fino a 10kW endotermici con aria condizionata, luci, ecc ) Ibrido parallelo: l ICE ed il motore elettrico sono dimensionati per garantire singolarmente un minimo di prestazioni del veicolo in termini di velocità massima. La pendenza massima e l accelerazione massima sono ottenuti, solitamente, mediante la somma delle due potenze. Il rapporto fra la potenza elettrica e quella totale fornisce il «grado di ibridizzazione» del veicolo. Solitamente, il grado di ibridizzazione va da un 30% fino al 70%. Ibridi: dimensionamento Trasmissione di coppia e moto: planetary gear Ibridi: dinamica di 17

18 Trasmissione di coppia e moto: planetary gear Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di Trasmissione di coppia e moto: planetary gear Nel punto P 1 Nel punto P 2 v P1 = ω r v P1 = ω C r C ω B r B v P2 = ω r v P2 = ω C r C + ω B r B w v P1 w C P 2 ω r = ω C r C ω B r B r C w B P 1 r B C w B v P2 ω r = ω C r C + ω B r B r = r + 2r c r B = r + r c ω r = ω r + 2ω B r B r r B = 1 2 (r + r ) r ω r = ω r + ω B (r +r ) Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 18

19 Trasmissione di coppia e moto: planetary gear w v P1 w C P 1 r C C P 2 2π i 2 = 2πr i = pn i v P2 ω r = ω r + ω B (r +r ) N numero denti p passo w B r B w B r ω N = ω N + ω B (N +N ) r Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di Esempi: Toyota Prius e Ford Escape Motore ICE satelliti Motore elettrico corona + asse ruote Generatore elettrico solare w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r ω N = ω N + ω B (N +N ) Considerando i segni delle velocità: ω ME N ME = ω G N G + ω ICE (N ME +N G ) N G N ME ω ICE = ω G (N ME +N G ) + ω ME (N ME +N G ) ω ME N ME = ω SSE N SSE Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 19

20 Esempi: Toyota Prius e Ford Escape w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r Eq. di coppia T ICE ω ICE = T G ω G +T ω N G N ω ICE = ω G (N +N G ) + ω (N ME +N G ) N G T ICE ω G (N +N G ) + T ICEω N (N ME +N G ) = T g ω g +T ω N G T g = T ICE ω G (N +N G ) N T = T ICE ω (N +N G ) Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di Esempi: Lexus Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 20

21 Esempi: GM two mode hybrid transmission Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di Esempi: Toyota Prius e Ford Escape w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r Modo 1: solo ME T T * k out ME r Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 21

22 Esempi: Toyota Prius e Ford Escape w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r Modo 2: solo ICE + generazione T g T ICE N N N T T ICE N N N N T T k out ICE r N N Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di Esempi: Toyota Prius e Ford Escape w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r Modo 3: ICE + ME + generazione T T g T T ICE ICE N N N N N N T T N T k out ICE ME r N N Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 22

23 Esempi: Toyota Prius e Ford Escape w w v P1 w C P 1 B r B r C C w B P 2 v P2 r r Modo 4: ICE + ME T 0 g (si blocca la velocità del sole) T T ICE T T T k out ICE ME r Ibridi: architetture avanzate e dinamica del sistema di 23