STUDIO DI MASSIMA DEL POWERTRAIN DI UNA MICROVETTURA A PROPULSIONE IBRIDA

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Massimiliano Borrelli
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1 U n i v e r s i t à d e g l i S t u d i d i B o l o g n a FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DEL POWERTRAIN DI UNA MICROVETTURA A PROPULSIONE IBRIDA Tesi di: Giacomo Corcella Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori Prof. Ing. Gianni Caligiana Dott. Ing. Luca Piancastelli

2 OBIETTIVO DELLA TESI Progettare modelli matematici che consentano di studiare le prestazioni di una MICROVETTURA IBRIDA adottando varie possibili soluzioni nella trasmissione di coppia e potenza dai motori termico ed elettrico alle ruote PROGRAMMA UTILIZZATO: MATHEMATICA 5.0

3 SVILUPPO DEL LAVORO Modello della microvettura di partenza: Riferimento per lo sviluppo dei modelli successivi I Modello IBRIDO: 1CVT II Modello IBRIDO: 2 CVT III Modello IBRIDO: Con Cambio 4 Rapporti IV Modello IBRIDO: Con Cambio 6 Rapporti Motore Termico Motore Elettrico al differenziale Motore Termico Motore Elettrico Motore Elettrico I marcia fino 31 km/h Motore Termico marce residue Entrambi i motori dall inizio

Il motore termico con CVT a 2 marce Aprilia Atlantic Il motore elettrico Lynch LEM-200 Il

9 Nm a 6500 giri/min Potenza massima limitata a 10 kw Raffreddamento ad acqua Rapporti di

88:1 η CVT = 85% Motore a magneti permanenti a 72V Grande potenza specifica Semplicità del

4 Il motore termico con CVT a 2 marce Aprilia Atlantic Il motore elettrico Lynch LEM-200 Il controller Curtis 1209B Dati tecnici Cilindrata cc Coppia massima 16.9 Nm a 6500 giri/min Potenza massima limitata a 10 kw Raffreddamento ad acqua Rapporti di riduzione del CVT di partenza 2.7:1-0.88:1 η CVT = 85% Motore a magneti permanenti a 72V Grande potenza specifica Semplicità del sistema di controllo Potenza massima limitata a 8 kw Utilizzato in svariate applicazioni di trazione η = 92% Volt Massima corrente per 1h 175 A η = 95% 4Kg

ACCUMULATORI SCELTI Batterie Piombo acido FGH2183 della FIAMM Batterie Li-ion ICP653047AS della Maxell Costo ridotto Possibilità di ricarica

8 kwh) Alta densità energetica (150 Wh/kg) Tempi di ricarica brevi 1950 elementi Peso totale 40 kg Dimensioni minime per corrente di scarica di

5 ACCUMULATORI SCELTI Batterie Piombo acido FGH2183 della FIAMM Batterie Li-ion ICP653047AS della Maxell Costo ridotto Possibilità di ricarica parziale Peso totale 80 kg Dimensioni minime per corrente di scarica di 150 A (1.8 kwh) Alta densità energetica (150 Wh/kg) Tempi di ricarica brevi 1950 elementi Peso totale 40 kg Dimensioni minime per corrente di scarica di 150 A ( 7.2 kwh) Energia necessaria per garantire una autonomia sufficiente è 6 kwh, quindi nella soluzione con batterie al litio bisognerà utilizzare un ultracapacitore che fornisca 25 A per arrivare ai 150 A

6 MODELLO MATEMATICO Modello a parametri concentrati Si considerano le sospensioni rigide Modellazione accurata dell erogazione della potenza elettrica e termica Modello resistenza attrito ( parametri ottimizzati in funzione delle curve sperimentali ) Modello resistenza aerodinamica ( parametri ottimizzati in funzione delle curve sperimentali ) Fresis Pn *( roi) ( k * Pn b)* vel 2 Pn = componente peso veicolo normale al terreno ro = coeff. resistenza al rotolamento k = coeff. di aumento resistenza rotolamento pneumatico i = tangente della pendenza b = coeff. aerodinamico

7 SCHEMA SEMPLIFICATO II MODELLO: DOPPIO CVT D CVT MT ME CVT D BATTERIE RETROTRENO AVANTRENO D = Differenziale CVT = Trasmissione a variazione continua MT = Motore termico ME = Motore elettrico

8 SCHEMA SEMPLIFICATO II MODELLO: DOPPIO CVT Primo CVT: I e II marcia trazione elettrica Secondo CVT: III e IV marcia trazione motore termico Velocità massima -> rapporto minimo -> Equilibrio coppie motrice e resistente min Fresis[ vel max] * Rruote Coppiamotrice [ rpmvel max] min vel max rpmvel max* 3.6*1.615 min* 60 0 Velocità minima-> rapporto massimo-> Pendenza superabile in partenza Pendenza superabile = 16.5% max Le 2 marce intermedie vanno ottimizzate per tentativi (exhaustive search)

9 CURVE CALCOLATE COL II MODELLO (2CVT) rpm rpm Diagramma caratteristico del CVT Elettrico 500 Diagramma caratteristico del CVT Termico In questo modello i due motori non funzionano insieme. L elettrico è attivo in partenza fino alla velocità di 36.5 km/h poi si attiva il termico fino alla velocità di 77 km/h. Coppia alle ruote (Nm)

CURVE CALCOLATE COL II MODELLO (2 CVT) Con questa soluzione la massima velocità raggiungibile è 77 km/h come si osserva dal diagramma delle prestazioni t (s) 60 50 40 30 20 10 Curva del consumo

10 CURVE CALCOLATE COL II MODELLO (2 CVT) Con questa soluzione la massima velocità raggiungibile è 77 km/h come si osserva dal diagramma delle prestazioni t (s) Curva del consumo istantaneo del motore termico /CVh Facendo compiere alla microvettura il ciclo CEE combinato si ottengono con questa soluzione i seguenti consumi: %carico Consumo Termico = 158 g di benzina rpm Consumo Elettrico = 113 Wh

11 C SCHEMA SEMPLIFICATO III MODELLO: CAMBIO 4 RAPPORTI CAMPANA FRIZIONE ME M F D FC NB MT D = Differenziale C = Cambio a 4 rapporti F = Frizione MT = Motore Termico FC = Frizione centrifuga NB = No back ME = Motore elettrico M = Moltiplicatore AVANTRENO I marcia Motore Elettrico, le restanti 3 Motore Termico

12 CURVE CALCOLATE COL III MODELLO (4 RAPPORTI) I rapporti massimo e minimo sono calcolati nello stesso modo del caso precedente min max rpm Diagramma caratteristico di cambiata Pendenza superabile in partenza = 20% Il diagramma di cambiata è stato ricavato con le seguenti equazioni, fissando la vmax: max min 2 min* min* v max v ( km/ h) 3 v2 v1* 58.23( km/ h) vmax 80( km/ h) v3 v2* 68.68( km/ h)

13 CURVE CALCOLATE COL III MODELLO (4 RAPPORTI) Anche in questo caso, come nel precedente, i due motori non lavorano insieme. L elettrico viene usato alla partenza fino a 31 km/h, poi si attiva il termico fino alla massima velocità pari a 80 km/h. Coppia alle ruote (Nm) Curva delle prestazioni del modello con 4 rapporti t (s) Facciamo compiere il ciclo CEE combinato 40 alla microvettura con questa soluzione di trasmissione e otteniamo i seguenti consumi: Consumo Termico = 205 g di benzina 10 Consumo Elettrico = 66 Wh

14 C SCHEMA SEMPLIFICATO IV MODELLO: CAMBIO 6 RAPPORTI CAMPANA FRIZIONE ME M F D FC NB MT D = Differenziale C = Cambio a 6 rapporti F = Frizione MT = Motore Termico FC = Frizione centrifuga NB = No back ME = Motore elettrico M = Moltiplicatore AVANTRENO

15 CURVE CALCOLATE COL IV MODELLO (6 RAPPORTI) Per ricavare il diagramma di cambiata si è fissata la vmax, calcolato il primo rapporto di riduzione e calcolata la vmin. Diagramma caratteristico di cambiata vmax 80( km/ h) rpm CoppiaSpunto max 50 CoppiaMotrice v min RC rpmpot max max* 60 * ( km/ h) 5 v max v min CoppiaSpunto = 600 Nm CoppiaMotrice = 12 Nm RC = Rolling Circunference = rpmpotmax = 8500 = rpm in corrispondenza della potenza massima Calcolato alfa si ricavano tutti i valori delle velocità e dei rapporti corrispondenti come visto in precedenza.

16 CURVE CALCOLATE COL IV MODELLO (6 RAPPORTI) Con questa soluzione i due motori lavorano insieme fin dall inizio, quindi avremo in partenza una coppia molto elevata. Coppia alle ruote (Nm) Pendenza superabile in partenza = 87% 500 Curva delle prestazioni del modello con 6 rapporti t (s) Facciamo compiere il ciclo CEE combinato alla microvettura con questa soluzione di trasmissione e otteniamo i seguenti consumi: Consumo Termico = 217 g di benzina Consumo Elettrico = 151 Wh

17 CONDIZIONI DI RECOVERY Condizioni di recovery sono quelle situazioni in cui uno dei due motori non funziona; Si sono studiate tali condizioni per tutti i casi precedenti, qui presentiamo i risultati del modello più performante, quello con cambio 6 rapporti; FUNZIONAMENTO SOLO ELETTRICO Curva delle prestazioni 40 FUNZIONAMENTO SOLO TERMICO Curva delle prestazioni 50 t (s) t (s) vmax 74( km/ h) vmax 79( km/ h) Pendenza superabile in partenza = 58% Pendenza superabile in partenza = 23%

18 CONCLUSIONI Confrontando i risultati ottenuti si è constatato che: la soluzione con 2 CVT ha le prestazioni più scadenti, però è caratterizzata dai consumi del termico più bassi e da comfort di guida visto che le microvetture sono usate quasi esclusivamente in città; la soluzione con cambio 4 rapporti ha prestazioni e consumi intermedi rispetto agli altri due modelli; la soluzione con cambio a 6 rapporti ha le prestazioni migliori, considerando anche che la velocità massima è stata limitata 80 km/h per eseguire dei confronti fra i modelli ma che in realtà potrebbe superare i 110 km/h. I consumi sono i più alti sia per il termico che per l elettrico e rispetto al caso con 2 CVT si perde in comfort. Per rendere ottimale questa soluzione basterebbe un piccolo sforzo tecnologico, introducendo un cambio selespeed.

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19 U n i v e r s i t à d e g l i S t u d i d i B o l o g n a FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica Disegno Tecnico Industriale STUDIO DI MASSIMA DEL POWERTRAIN DI UNA MICROVETTURA A PROPULSIONE IBRIDA Tesi di: Giacomo Corcella Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatori Prof. Ing. Gianni Caligiana Dott. Ing. Luca Piancastelli

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