Generazione elettrica a bordo

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1 Generazione elettrica a bordo Sistema alternatore - raddrizzatore - regolatore Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 1

2 Classificazione dei sottosistemi SISTEMA DI GENERAZIONE E ACCUMULO Sistema di generazione dell energia e carica accumulatore Accumulatore elettrochimico di bordo - CARICHI Sistemi per il funzionamento del motore di propulsione Sistema di avviamento motore Sistema di accensione della miscela (ciclo Otto) Sistema iniezione del combustibile Sistemi per l ausilio alla guida Illuminazione anteriore e posteriore Sistema antibloccaggio dei freni (ABS) Sistema di controllo della trazione (TCS) Sistema elettronico per la stabilità e sospensioni attive (ESP) Ausilio elettronico alla navigazione e al parcheggio Switches di plancia Sistemi per il comfort Vetri elettrici, portiere elettriche, regolazioni elettriche del posto guida e degli specchietti, ecc. Sistema di climatizzazione (riscaldamento elettrico, controllo elettronico del condizionatore) Altre utenze elettriche Sistema antintrusione Preriscaldo catalizzatore Carichi Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 2

3 Alternatore per uso automobilistico aspetto costruttivo (1) Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 3

4 Alternatore: principio di funzionamento e AB - A i V i F v B i B R i l F L qv B FE qe E v B F i B l e AB vb l F v ib l Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 4

5 Alternatore per uso automobilistico aspetto costruttivo (2) traferro Statore Rotore n s S N a s: piano contenente il polo S rotorico n: piano contenente il polo N rotorico a: asse di rotazione e intersezione dei piani s e n in rosso: esempio di percorso di induzione S N Il circuito magnetico del rotore è molto più semplice ed economico delle macchine Sincrone tradizionali. Lo sfruttamento del ferro è però peggiore per via della maggiore tortuosità delle linee di flusso (v. schema sopra, confrontato con schema di rotore tradizionale a sinistra) La generazione di fem avviene nella direzione ortogonale a induzione e velocità quindi serve flusso in direzione radiale Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 5

6 Sistema regolatore-generatore-raddrizzatore Regulator Voltage measure U*=14V B regulator-alternator-rectifier Il sistema normalmente integra le tre funzioni in un unica unità compatta Se il ponte a diodi è sostituito con un invertitore il sistema diviene reversibile. Con i dimensionamenti usuali dell alternatore non è però in grado di avviare l ICE (v. argomento «avviamento». Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 6

7 Regolazione a frazionatore i 2 i 1 I 1 =ci 2 Chop Aux T c T i T=T c T i t ON/ OFF - U* u 1 =U Controller u 2 frazionatore abbassatore U 2 =cu 1 Sistema di controllo della tensione Attraverso chopperizzazione della tensione di batteria si alimenta l avvolgimento di eccitazione a tensione e corrente a valor medio variabili: U ecc =cu batt I ecc =I batt /c con c=t c /(T c T i ) = parzializzazione T c T i T=T c T i Il controllore ha l obiettivo di mantenere la tensione pari a U* (normalmente 14V, compensata termicamente) t Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 7

8 Raddrizzatore ausiliario e Warning Lamp (WL) Regolatore U*=14V A Aux B WL La WL è necessaria per verificare che l alternatore sia in grado di caricare Lo schema di questa slide è storico e oggi la gestione della WL è affidata alla ECU. Quando l alternatore non è in grado di erogare alla batteria il regolatore è alimentato attraverso la WL, che si accende; quando il generatore eroga poi la WL si spegne. Il ponte a diodi principale converte la potenza da AC in DC; Quello ausiliario serve solo a spegnere la WL a generatore attivo Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 8

9 Fase di Preecitazione Regolatore A Aux U B WL E I eq R eq U - Circuito di pre-eccitazione. (schema storico) Quando l alternatore non eroga, l alimentazione della eccitazione avviene attraverso la WL. Il regolatore vede una tensione particolarmente bassa e la trasferisce tutta all avvolgimento di eccitazione (massima eccitazione). Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 9

10 Perché il generatore ai bassi carichi è inattivo? (1/2) I d 2U rs rt st sr tr ts V1 V3 V5 U r U s L c i r i s 0 6 t U t i t - 2U V4 V6 V2 I 0 T/6 i (t) r T t E I eq R eq U - E R eq eq 3 2U 3 Lc ll U rs c A U st U rt Circuito equivalente DC di ponte a diodi alimentato con generatore E-L Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 10 t 0 t* t

11 Perché il generatore ai bassi carichi è inattivo? (2/2) E I eq R eq U - Corrente erogata a massima eccitazione e U=cost Sia E eq (legge di Faraday) che R eq (formula slide precedente) sono proporzionali alla velocità angolare dell alternatore. Se poniamo E n =forza elettromotrice quando = n R n =resistenza fittizia equivalente = n Sarà: I E eq R U eq uen U R u eq, n 150 I [A] Se, ad esempio si assume: E n =15 V U=13,5V, R eq,n =0, Om_u Si ottiene il grafico riportato qui accanto. Si nota una velocità critica al di sotto della quale l alternatore non eroga (diodo interdetto). NOTE: Se l eccitazione è massima si hanno le correnti di massima prestazione dell alternatore; Se si mantiene la tensione ai morsetti a 13,5V, il regolatore impone automaticamente l eccitazione massima. Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 11

12 Gruppo regolatore-alternatore-raddrizzatore Grafici caratteristici (documentazione costruttore) Sullo stesso grafico sono riportati: la potenza assorbita del motore primo (molto utile per il dimensionamento della cinghia di PTO); la potenza di uscita è invece, ovviamente, proporzionale a I. il rendimento, di solito sempre decrescente e nel campo 25-45% per alternatori ordinari, fino al 60% per alternatori a rendimento aumentato. Il rendimento può non essere riportato, in quanto ricavabile agevolmente dagli altri due grafici. Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 12

13 Carichi Generazione elettrica di scooter (1) V1 V3 G T V4 V2 Esempio di realizzazione monofase Raddrizzatore trifase con SCR di bypass Generatore (monofase o trifase) a magneti permanenti Regolazione frazionando direttamente la tensione di uscita invece della tensione di eccitazione Negli istanti in cui il tasto T è chiuso la tensione è fornita al carico dalla batteria mentre il ponte a diodi impedisce il riflusso della corrente verso l alternatore. Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 13

14 Carichi Generazione elettrica di scooter (2) Tensione concatenata mostrante fasi con attivazione degli SCR di bypass V1 V3 Nelle fasi a tensione bassa la corrente è fornita al carico dalla batteria G T Nelle fasi a tensione alta il generatore eroga corrente al carico e, se del caso, alla batteria V4 V2 Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 14

15 Generazione elettrica di scooter (3) L alternatore è spesso del tipo alternatore-volano: -Rotore a campana (esterno) a magneti permanenti (fa anche da volano) - statore interno avvolto - vengono integrate le funzioni di generazione elettrica a tensione di batteria e generazione degli impulsi ad alta tensione necessari all accensione (v. sistemi di accensione a magnete ) Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 15

16 Generazione elettrica di bicicletta u X n U n E= R u E n Generatore monofase a magneti permanenti V U/V [V] U u R 2 E u n ( X u n ) 2 R U E n X R n Grafico realizzato con i seguenti dati: U n =6 V; P R =3,5W => R=10 Ohm e: Om_u E n =6,5 V; X n =10 Ohm Il sistema è autoregolato sulla tensione in quanto opera normalmente in condizioni tali che u X n >>R u. Evidentemente questa interessante soluzione ha senso solo nei rari casi, come quello della bicicletta, in cui il carico elettrico è noto e costante e la velocità del motore primo variabile. Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Generazione dell'energia elettrica 16