Il Sistema Elettrico nei Veicoli Ibridi: componenti, caratteristiche e tecnologie

Transcript

1 ATA Sardegna Cagliari, 13 marzo 2009 Il Sistema Elettrico nei Veicoli Ibridi: componenti, caratteristiche e tecnologie Alberto TENCONI Gruppo 5E Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Politecnico di Torino Electrical Energy Engineering Environment Efficiency 1/33 Sommario Introduzione Moto-generazione Conversione Azionamenti per Accumulo Conclusioni 2/33

2 La storia in breve 1900: vendute 4200 vetture 40% a vapore 38% elettriche 22% a benzina 1912: veicoli elettrici (2 volte quelli a benzina) Anni 20: i veicoli elettrici scompaiono Anni 70: rinasce l interesse per i veicoli elettrici Anni 80-90: legislazioni pro ZEV e ULEV 1997: il primo veicolo ibrido in vendita (japan) 2009: ampia offerta di (annunciati quelli elettrici) 3/33 Primi veicoli elettrici Sistema di trazione: motore elettrico (corrente continua) Sistema di accumulo: batterie al piombo Perché non ebbero successo? 4/33

3 Motori elettrici (Rispetto motore a combustione interna) Auto avvianti Bidirezionali e reversibili Alto rendimento Silenziosi Senza emissioni Facilmente controllabili Costruttivamente semplici Elevata affidabilità e durata Dispositivi di regolazione poco affidabili 5/33 Batterie elettrochimiche (Rispetto serbatoio) Poca capacità (autonomia) Pesanti Ingombranti Ricarica: lenta e richiede infrastruttura Prestazioni non costanti Limitata affidabilità e durata Densità di energia Accumulatori: 10 1 Wh/kg Comb. Liquidi: 10 4 Wh/kg 6/33

4 Sistema di trazione ibrido Progressi tecnologici Motori più compatti ed efficienti Convertitori elettronici (regolazione più sofisticata e affidabile) Accumulatori più performanti Nuove esigenze Riduzione consumi Riduzione emissioni Riduzione rumore motore termico + motore elettrico Combinazione dei vantaggi Eliminazione/riduzione degli svantaggi 7/33 Configurazioni ibride Parallel Hybrid macchina accumulatori di energia convertitore elettronico di potenza Series Hybrid Series/Parallel Hybrid 8/33

5 Conversioni energetiche & tecnologie Batterie e BMU Componenti elettronici di potenza e di segnale macchine elettriche strategie di controllo energia chimica accumulatori elettrochimici energia convertitori elettronici energia motogeneratori conversione elettrochimica conversione conversione elettromeccanica energia meccanica 9/33 Macchine elettriche per Costo sostenibile Robustezza Affidabilità Alta densità di coppia (avviamento, ripresa) Alta densità di potenza (alle alte velocità) 10/33

6 Macchine elettriche per Ampia gamma di velocità con regolazione a potenza costante 11/33 Macchine elettriche per Alto rendimento anche a bassi carichi 12/33

7 Evoluzione Macchine elettriche per la trazione stradale 13/33 Tipologie di macchie elettriche a) Macchine ad induzione b) Macchine a riluttanza (commutata o sincrona) c) Macchine sincrone a magneti permanenti d) Macchine a corrente continua 14/33

8 Macchine SENZA magneti permanenti Molto robuste Completamente deflussabili Regolazione a potenza costante Disalimentazione del guasto Minor densità di coppia 15/33 Macchine CON magneti permanenti Maggiore densità di coppia Meno vincoli geometrici Flusso magnetico intrinseco Regolazione a potenza costante Disalimentazione del guasto 16/33

9 Convertitori elettronici di potenza DC/AC (inverter di trazione) DC/DC (booster di tensione) Unità di gestione batteria (BMU) e/o Supercap Caricabatteria (ibridi plug-in) Alta frequenza di commutazione (>10 khz) Architetture fault tolerant Controlli sensorless 17/33 Elettronica di potenza Tecnologie IGBT, MOSFET, SiC Condensatori per alte temperature Packaging e raffreddamento Integrazione motore-convertitore Integrazione di più convertitori 18/33

10 Azionamenti per microibidi Belt Alternator Starter (BAS) Start & stop Early cut-off e frenatura rigenerativa Raffreddamento a liquido o ad aria Convertitore bidirezionale 2-3 kw Alimentazione V DC velocità doppia motore 19/33 Azionamenti per ibridi minimi Flywheel Alternator Starter (FAS) Funzionalità come BAS + puro elettrico (brevi tratti) + down-sizing motore termico Raffreddamento a liquido (60-90 C) Convertitore bidirezionale Alimentazione V DC 5-10 kw velocità motore 20/33

11 Azionamenti per ibridi complessi (power split) Doppia macchina Doppio convertitore Alimentazione V Raffreddamento a liquido kw velocità diversa motore 21/33 Livelli di tensione La tensione cresce con la taglia in potenza Macchine elettriche: quasi indifferente Convertitori basse correnti alte tensioni Compromesso tra ed elettrochimica Convertitori per elevare la tensione Accumulatori basse tensioni alte correnti 22/33

12 Profili di carico Scarica in avviamento e accelerazione Ricarica in frenatura e a velocità costante Valor medio nullo + Power Speed Profile Energy Supply to Make Up for Shortage Energy storage Recharge During Cruise Recovery of Braking Energy - Maximum Efficiency Engine Operation Time 23/33 Tecnologie di accumulo Batterie per veicoli elettrici Batterie per Supercondensatori 24/33

13 Sorgenti di energia / potenza Elevata capacità Batterie Prestazioni migliori se la scarica è livellata Sensibilità alle temperature (alte e basse) Gestione attiva della connessione serie (Litio) Supercondensatori Elevata potenza (>500 W/kg) Insensibili alla temperatura Connessione serie gestita mente 25/33 Livellamento del carico Profilo di carico Potenza media Batteria Potenza dinamica Supercondensatore 26/33

14 Accumulo ibrido Diversa legge di scarica Difficoltà di parallelo Tecnologia in evoluzione Convertitore di interfaccia 27/33 Sfruttamento stato carica (SOC) Evitare scariche profonde e sovraccariche 28/33

15 Evoluzione Macchine Elettriche: ottimizzazioni Convertitori: miglioramenti tecnologici Batterie/Supercap: maturazione 29/33 More electric transport Locomotive diesel-elettriche 30/33

16 More electric transport Moto ibride Veicoli tiltanti 31/33 More electric transport Sistemi diesel elettrici per la propulsione navale Rumore e vibrazioni Spazio Manutenzione Flessibilità e dinamica 32/33

17 More electric transport More Electric Aircraft More Electric Engine Generazione/Avviamento Consumi Manutenzione 33/33