Veicoli ibridi. Panorama 07/11/2011. Veicoli su strada: Ibridi. Veicoli ibridi. Veicoli convenzionali. Veicoli a impatto zero

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1 Veicoli ibridi Pnorm Veicoli btteri Veicoli celle combustibile Veicoli convenzionli Veicoli ibridi Veicoli imptto zero 1

2 Pnorm Veicoli ibridi Micro-hybrid Mild hybrid Hybrid (serie, prllelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione rnge elettrico) Strt nd stop: fermt motore endotermico durnte l sost e riccensione <400ms Recupero energi cinetic in frentur Assistenz l motore endotermico per l prolulsione Prtenz in «full electric» Possibilità di guid in modlità «full-electric» 2

3 Veicoli ibridi Micro-hybrid Mild hybrid Hybrid (serie, prllelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione rnge elettrico) Ibridizzzione finlizzt ll ssisten l motore endotermico principle Ibridizzzione finlizzt d un propulsione elettric ver e propri Micro-hybrid Nel micro-ibrido è presente un sesnore posizionto sul pedle del freno. Un centrlin controll l velocità del veicolo e, qundo quest è pri zero ed è premuto il pedle del freno, il motore combustione intern viede «spento». Nel momento in cui si rilsci il pedle del freno, in meno di mezzo secondo un motore elettrico rivvi istntnemente (con un tempo inferiore 400ms nel dispositivo VALEO, d es.) l endotermico. I micro-ibridi sono solitmente equipggiti con motori elettrici «convenzionli», solitmente megneti permenenti e con un tensione di oltre 100V. Le potenze si ggirno intorno i 2kW. I motorini di vvimento «trdizionli» sono limentti 12 o 42V e sono solitmente motori in servizio di «durt limitt». Ad es. possono ndre d 500W oltre 3-5kW in servizio S2 3

4 Mild hybrid Riescono grntire un riduzione dei consumi di circ il 10-15%, recuperndo energi cinetic durnte l frentur e usndol per limentre un motore elettrico di propulsione durnte le ccelerzioni. L ccumulo energetico è ftto ttrverso pile l litio o, ultimmente, si tende d utilizzre superdondenstori. Inftti, l btteri trdizionle non ce l frebbe gestire i picchi (positivi e negtivi) di corrente per supportre quest modlità opertiv. Mild hybrid Un evoluzione del «Mild-hybrid» prevede un supporto ll propulsione del motore endotermico principle durnte l intero ciclo di lvoro, per supportre lo stesso nelle fsi di mggior richiest di corrente. Quindi, nche qundo il veicolo è in mrci e c è bisogno di un ulteriore ccelerzione (nel cso precedente, i supercondenstori srebbero ncor scrichi perché non è interventu un frntur) il motore elettrico può intervenire come supporto. 4

5 Mild hybrid Hybrid (serie, prllelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione rnge elettrico) Sono presenti due unità di propulsione: un endotermic e un elettric. Possono essere diversmente combinte fr di loro per ottenere diverse prestzioni in termini di dinmic, consumi e utonomi. 5

6 Hybrid (serie, prllelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione rnge elettrico) L figur rppresent l proprietà del motore termico intes come rendimento termico in funzione dell coppi erogt. Le isole colorte rppresentno ree di consumo costnte (g/kwh). L posizione delle ree verdi evidenzi che più il motore è sotto crico, migliori sono le prestzioni in termini di consumi, e così il rendimento termico. Hybrid (serie, prllelo, power-split Plug-in Hybrid (estensione rnge elettrico) 6

7 se si Hybrid Spegne e si ccende istntnemente l semforo o nel trffico Se recuper l energi cinetic per riutilizzrl in ccelerzione e lvor d un tensione mggiore di 60V Se h un motore elettrico che ssiste il motore endotermico nelle fsi di richiest di mggiore potenz Se h l possibilità di lvorre per intervlli di tempo in «full electric» Se può ricricre le btterie dell esterno, mendinte l pres di cs o stzioni di ricric (con utonomi di Prof. lmeno Giuseppe 30 km) Tomsso - Università di Cssino In generle un veicolo è Un veicolo convenzionle Un microibrido Un ibrido leggero Un «full hybrid» Un ibrido plug-in Un ibrido «potente» (SUV) Hybrid 7

8 Hybrid Hybrid serie Combinto serie/prllelo prllelo 8

9 Hybrid: serie P Potenz elettric/uscit Potenz ICE Ricric btterie recupero t L presenz delle btterie e del supercps (eventule) consente di incidere sull dinmic senz umentre i consumi. Il sistem di controllo dovrà fre in modo di mntenere il SOC delle btterie (e degli eventuli supercps) fr il 40% e l 80% circ. ICE ON ICE OFF Hybrid: diesel-elettrico L ccoppimento diretto genertore-motore di propulsione è utilizzto principlmente nelle seguenti ppliczioni: Trzione ferroviri (perché il motore elettrico è l unico che grntisce un coppi mssim e, comunque, divers d zero velocità null. Propulsione nvle (nelle grosse nvi, l trsmissione meccnic fr il gruppo diesel, posizionto l centro dello scfo per bilncire il peso, e l elic di propulsione volte è impossibile o non conveniente cus delle enormi distnz. Si preferisce, quindi, trsmettere energi t elettric e non meccnic, nche perdendo sul rendimento. 9

10 Hybrid: prllelo Hybrid: prllelo A differenz dell ibrido serie, l configurzione prllelo consente di «sommre» le potenze erogte dl motore endotermico e d quello elettrico, mntenendo l possibilità di poter lvorre nche in ll-electric m nche solo in endotermico. 10

11 Hybrid: prllelo P Potenz elettric/uscit Potenz ICE Ricric btterie recupero A differenz dell ibrido serie, l configurzione prllelo consente di «sommre» le potenze erogte dl motore endotermico e d quello elettrico, mntenendo l possibilità di poter lvorre nche in llelectric m nche solo in endotermico. ICE ON ICE OFF ICE ON Hybrid: prllelo P Potenz uscit Potenz elettric Potenz ICE recupero Ricric btterie Le prestzioni dinmiche possono nche essere umentte, discpito del rendimento, ndndo modulre l potenz del ICE e spostndolo, quindi, dl punto di mssimo rendimento. ICE ON ICE OFF ICE ON 11

12 Hybrid: Posttrnsmission prllel In quest configurzione, il motore elettrico è posizionto dopo il motoriduttore che, quindi, è pplicto solo l ICE. E un struttur più semplice d integrre nel sistemi produttivi di veicoli trdizionli. Si us nche come soluzione per l ibridizzzione dei veicoli già esistenti (retrofit) Hybrid: Pretrnsmission prllel In quest configurzione, il motore elettrico è posizionto in tndem con l ICE e prim del motoriduttore. Entrmbe le coppie, quindi, sono sommte ll ingresso del motoriduttore. Non essendoci un coppi ddizionle pplict ll uscit del motoriduttore, l efficienz di trsmissione ument. E un struttur più comptt, utilizzt per veicoli che nscono come ibridi. L struttur di trsmissione lle ruote rimne quell trdizionle. 12

13 Hybrid: «Through the rod» prllel L trsmissione dell coppi viene ftt ttrverso due ssi di rotzione diversi. L somm delle coppie viene effettut direttmente «sull strd». Esempio di dimensionmento Prmetri di un veicolo Prmetro Vlore Unità Mss 1767 kg Grvità 9.81 m/s 2 Coeff. Attrito 0,015 ensità ri 1,225 kg/m 3 Coeff. penetrzione ri 0.35 Are sezione frontle 1.93 m 2 Inerzi ruot kg/m 2 Rggio ruot 0,2794 m Vento 0 m/s Prmetri dinmici Accelerzione d km/h in 16 secondi Pendenz 5 100km/h e mssimo 25 60km/h Velocità 160km/h (solo ICE), 140km/h (solo elettrico) Il dimensionmento è solitmente effettuto rispettndo i vincoli dinmici con l minim potenz Ibridi: dimensionmento 13

14 Forz di trzione Regione coppi costnte Esempio di dimensionmento Regione potenz costnte Per il motore elettrico V r m V r v Velocità linere Accelerzione d km/h in 16 secondi Pendenz 5 100km/h e mssimo 25 60km/h Velocità 160km/h - (prllelo), 140km/h (serie) Il dimensionmento è solitmente effettuto rispettndo i vincoli dinmici con l minim potenz Ibridi: dimensionmento Esempio di dimensionmento Step 1: componente stzionri Ricordndo l relzione che esprime l forz di trzione, si h: d 2 v F c v m xt 2 xt G d, pc tn xt xt Come primo step, si può vlutre l componente dell forz «stzionri», e cioè quell in grdo di movimentre il veicolo ll mssim velocità e sull mssim pendenz. Per l mssim pendenz: F d 2 2 xt, _ mx G d, pc tn mx c vxt, _ mx Gtn mx P F * v motore, n, xt _ mx xt, _ mx Ibridi: dimensionmento 14

15 Esempio di dimensionmento Step 1: componente stzionri Considerndo il funzionmento in condizioni stndrd con pendenz qusi null o minim, l potenz per sostenere il veicolo ll veocità mssim è dt d: F G d 2 tn c v xt, v _ mx d, pc min xt, v _ mx 2 G d 2 c v d, pc xt, v _ mx 2 P F * v motore, n, v xt, v _ mx xt, v _ mx Ibridi: dimensionmento Esempio di dimensionmento Step 2: componente dinmic Per qunto rigurd l forz inerzile, si può considerre che: F mx F, F F m xt, tot xt, v _ mx xt, _ mx xt, xt d cui: xt dv dt F xt, m Integrndo, si ottiene m v dv F 0 xt, 0 t dt dv m F v = 100km/h t = 16 secondi xt, dt Ibridi: dimensionmento 15

16 Esempio di dimensionmento Forz di trzione Regione coppi (forz) costnte Step 2: componente dinmic Regione potenz costnte m v dv F 0 xt, 0 t dt v r m v r v Velocità linere v dv m dt t P / v 0 xt, 0 t v rm dv dv m m t P / v P / v 0 xt, v xt, v rm xt, 2 2 v 0 vrm rm rm m v v t P 2 2 m P v v 2 2 xt, rm 2t Ibridi: dimensionmento Esempio di dimensionmento Step 3: potenz totle Volendo considerre nche l componente stzionri, si h: m v rm 0 m v v dv PxT, / vrm G d 2 d, pc tn c v rm dv PxT, / v G d 2 d, pc tn c v 2 2 t PxT, potenz mssim Ibridi: dimensionmento 16

17 Esempio di dimensionmento Step 3: potenz totle Ibrido serie: P xt, srà l potenz con cui si ndrà dimensionre il motore elettrico. Il motore ICE srà dimensionto per l potenz dell elettrico, più l liquot degli usiliri di bordo (si rriv fino 10kW endotermici con ri condiziont, luci, ecc ) Ibrido prllelo: l ICE ed il motore elettrico sono dimensionti per grntire singolrmente un minimo di prestzioni del veicolo in termini di velocità mssim. L pendenz mssim e l ccelerzione mssim sono ottenuti, solitmente, medinte l somm delle due potenze. Il rpporto fr l potenz elettric e quell totle fornisce il «grdo di ibridizzzione» del veicolo. Solitmente, il grdo di ibridizzzione v d un 30% fino l 70%. Ibridi: dimensionmento Trsmissione di coppi e moto: plnetry ger Ibridi: dinmic di propulsione 17

18 07/11/2011 Trsmissione di coppi e moto: plnetry ger Ibridi: rchitetture vnzte e dinmic del sistem di propulsione Nel punto P1 Trsmissione di coppi e moto: plnetry ger Nel punto P2 vp1 C P1 A B P2 rc vp2 C rb B A ra r + ) Ibridi: rchitetture vnzte e dinmic del sistem di propulsione 18

19 07/11/2011 Trsmissione di coppi e moto: plnetry ger vp1 C P1 A B N numero denti p psso P2 rc + ) vp2 C rb B A ra + ) r Ibridi: rchitetture vnzte e dinmic del sistem di propulsione Motore ICE stelliti Esempi: Toyot Prius e Ford Escpe vp1 C Motore elettrico coron + sse ruote B vp2 C P1 A Genertore elettrico solre P2 rc rb B A ra r + ) + ) Ibridi: rchitetture vnzte e dinmic del sistem di propulsione 19

20 Esempi: GM two mode hybrid trnsmission Ibridi: rchitetture vnzte e dinmic del sistem di propulsione 20