L'elettrificazione e il rimodernamento dei veicoli esistenti: nuove tecnologie per l'immagazzinamento dell'energia e la loro reale applicabilità

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1 L'elettrificazione e il rimodernamento dei veicoli esistenti: nuove tecnologie per l'immagazzinamento dell'energia e la loro reale applicabilità G.Pede, Sistemi e Tecnologie per la Mobilità e l Accumulo elettrico Coiltech 2016 Pordenone, 28 settembre

2 Lay-out della presentazione La nuova normativa per il retrofit Dalla batteria al sistema di accumulo: parametri caratteristici e sottosistemi ausiliari Quale batteria? Pro e contro dei diversi tipi Un esempio applicativo, il re-powering di un piccolo autobus G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

3 MINISTERO DELLE INFRASTRUTTURE E DEI TRASPORTI DECRETO 1 dicembre 2015, n. 219 Regolamento recante sistema di riqualificazione elettrica destinato ad equipaggiare autovetture M e N1. (15G00232) (GU n.7 del ) Vigente al: Art. 1 Campo di applicazione Art. 2 Definizioni Art. 3 Omologazione Art. 4 Caratteristiche generali del sistema di riqualificazione elettrica richieste per l'omologazione Art. 5 Prescrizioni per il costruttore del sistema di riqualificazione elettrica Art. 6 Prescrizioni per l'installazione del sistema di riqualificazione elettrica sui veicoli e aggiornamento della carta di circolazione Art. 7 Conformita' della produzione Art. 8 Riconoscimento dei sistemi omologati da altri Stati dell'unione europea e dello Spazio economico europeo Art. 9 Disposizioni finali G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

4 Art. 1 Campo di applicazione Le trasformazioni possono essere attuate su tutte le categorie di veicoli trasporto persone: le auto M1 fino a 9 persone sino a 35 quintali; i veicoli di categoria M2 oltre 9 persone fino 50 quintali; i veicoli di categoria M3 oltre 50 quintali; i veicoli di categoria M3G oltre 50 quintali cioè i fuoristrada G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

5 Art. 2 Definizioni 1. Ai fini del presente decreto, si intende per : a) "sistema di riqualificazione elettrica": un sistema che consente di trasformare un veicolo con motore endotermico in un veicolo con esclusiva trazione elettrica e che sia costituito almeno da: 1. un motopropulsore (macchina elettrica e relativo convertitore di potenza), montato a monte degli organi di trasmissione; 2. un pacco batterie (comprensivo di sistema di gestione elettrica e termica degli accumulatori e di sistema di sezionamento e protezione) inteso a fornire in modo esclusivo l'energia e la potenza di trazione; 3. un'interfaccia con la rete per la ricarica del pacco batterie; 4. eventuali altri sottosistemi necessari al corretto funzionamento del veicolo trasformato; b) "pacco batterie": un gruppo di accumulatori elettrochimici collegati tra loro o racchiusi, come un'unita' singola e a se stante, in un involucro esterno, non destinato ad essere lacerato o aperto dall'utilizzatore; c) "tipo di veicolo": l'insieme dei veicoli quali definiti dall'articolo 3, comma 17, della direttiva 2007/46/CE e successive modificazioni; d) "famiglia di veicoli": sottoinsieme di versioni di varianti, quali definite dall'allegato II, parte B, della direttiva 2007/46/CE e successive modificazioni, appartenenti allo stesso tipo di veicolo, che non differiscano per caratteristiche dimensionali e di prestazioni funzionalmente connesse al sistema di riqualificazione elettrica; e) "campo d'impiego": le famiglie di veicoli sulle quali il "sistema di riqualificazione elettrica" puo' essere installato, secondo i criteri tecnici indicati nell'allegato C al presente decreto G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

6 Art. 4 Caratteristiche generali del sistema di riqualificazione elettrica richieste per l'omologazione 1. Ciascun sistema di riqualificazione elettrica e' progettato, costruito e montato in modo tale che, in condizioni normali di impiego e nonostante le sollecitazioni cui puo' essere sottoposto, non siano alterate le originarie caratteristiche del veicolo in termini di prestazioni e sicurezza, nonche' in modo da resistere agli agenti di corrosione e di invecchiamento cui e' esposto. 2. E' richiesto il preventivo nulla osta del costruttore del veicolo nei casi in cui il sistema di riqualificazione elettrica richieda sostituzioni o modifiche di parti del veicolo al di fuori del sistema di propulsione stesso, ovvero di software per la gestione dei sistemi anti-bloccaggio, controllo della trazione e della stabilita' del veicolo, con altri di caratteristiche diverse da quelli previsti dal medesimo costruttore del veicolo. G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

7 Gruppo Panda

8 Propulsore sostitutivo

9 La batteria, croce e delizia dell elettrico puro

10 La tensione fra i morsetti di una batteria è determinata, dal numero degli elementi collegati in serie. La batteria in figura (Mercedes S400 Hybrid), a 126 V è formata da 35 celle, ciascuno da 3.6 V (potenziale di coppia). La capacità della batteria, per il collegamento serie, rimane quella del modulo, in questo caso 6.5 Ah Dalla cella al modulo ed alla batteria: Un modulo è formato da più elementi (celle) collegati fra loro in serie. La batteria è formata da n moduli o da n celle collegate in serie o in parallelo o in serie/parallelo.

11 Requisiti tecnici e criteri progettuali Energia specifica volumetrica e gravimetrica La quantità di energia che è disponibile nel sistema per unità di volume o di peso Potenza di carica e scarica Efficienza La velocità con cui una quantità di energia può essere resa disponibile da o caricata nel sistema di accumulo per unità di volume o di peso La frazione di energia che è resa effettivamente disponibile dal sistema rispetto a quella immagazzinata Vita ciclica Numero di volte in cui un sistema di accumulo può essere caricato e scaricato in definite condizioni operative prima di una riduzione delle sue prestazioni Costo di investimento e costo operativo Prezzo di acquisto Consumi e manutenzione

12 Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d assieme (1) s 1000s 100 Li-Ion 100s 10 1 Pb 10s Accumulatori idraulici 1s 0,1 Supercondensatori 0,1s 0, Potenza specifica [W/kg] G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

13 Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d assieme (2) Sistema di accumulo Vantaggi Svantaggi Batteria al Piombo Costo Limitate prestazioni Batterie Ni Idruri metallici Batteria ad alta temperatura Na NiCl Batterie al Litio Supercondensatori Accumulatori a fluido Volani Prestazioni: 2 volte Pb in energia,di più in potenza, sicurezza, ricarica rapida Prestazioni: 3 volte Pb Prestazioni: 4-6 volte Pb, ricarica rapida Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata, modularità Alta potenza, vita elevata Costo + elevato Modularità ridotta, no ricarica rapida Gestione accurata, anche per la sicurezza Bassa energia Specifici per ibridi termoidraulici Bassa modularità, effetto giroscopico, sicurezza

14 Le batterie al litio: una tecnologia dalle molte facce LCO LMO NMC NCA LFP LiCoO 2 LiMn 2 O 4 Li(NiCoMn)O 2 Li(NiCoAl)O 2 LiFePO 4 Litio 7,1% 3,9% 7,3% 7,3% 4,4% Cobalto 60,2% 9,8% 9,3% Nickel 25,8% 48,7% Alluminio 1,6% Manganese 60,8% 24,0% Ferro 35,4% Fosforo 19,6%

15 Sistema di accumulo completo

16 Gestione termica del modulo: essenziale per la durata

17 Gestione elettrica: BMS attivo, essenziale per lo sfrurttamento di tutta la capacità della batteria Il bilanciamento è di tipo attivo attraverso un convertitore DC/DC che risiede sulla scheda, il quale è alimentato con la tensione di modulo e va a caricare di volta in volta la cella più scarica del gruppo, con corrente che può giungere fino a 2 A

18 Ricarica rapida mediante sostituzione del pacco Per ogni bus occorrono n.2 batterie da 585 Ah/ 72 V, di cui una è in ricarica, l altra a bordo mezzo

19 Fast charge: al capolinea e/o in alcune fermate ZeroFilo Bus Industria 2015

20 Caratteristiche dell autobus e del percorso Peso della batteria Pb-acido Velocità di marcia media 1200 kg 20 km/h Lunghezza percorso (circolare) 5 km Consumo chilometrico, al peso suddetto Energia richiesta per 5 km Potenza di ricarica max. disponibile (380 V/64 A) 600 Wh/km 3 kwh 43 kw Energia ricaricabile in 5 (max) 3,6 kwh

21 Caratteristiche della batteria minima N. 2 stringhe a 72 V (6 moduli in serie) in parallelo Modulo scelto Capacità risultante della batteria Corrente massima di ricarica per stringa/per la batteria (5 ) Potenza massima accettabile in ricarica Corrente di scarica in ½ ora Potenza continuativa in scarica Peso della batteria Li-Ione : 12 kg x 24 moduli = 288 kg 12 V/120 Ah 240 Ah 3C = 720 A Pmax = 44 kw 640 A x 72 V = 51 kw 2C = 480 A 480 A x 72 V = 35 kw

22 Sistema realizzato e collaudato in ENEA G.Pede, ENEA, Coiltech 2016

23 Rete di gestione delle informazioni e controllo dei sistemi Strumenti di bordo FIAT Gateway BMS FIAT Body Computer FIAT ECU * Inverter Caricabatteria

24 CONCLUSIONI Conclusioni (2) Il retrofit di veicoli termici in elettrici è finalmente possibile con una procedura omologativa semplificata rispetto al passato. Cuore della modifica e tallone d Achille del sistema sono le batterie La chimica del Litio consente di ottenere autonomie doppie rispetto al passato con peso della batteria dimezzato (Rapporto 1:4 tra le energie specifche, kwh/kg) La disponibilità di moduli autogestiti a 12 V consente di ridurre i costi di produzione e di gestione delle batterie, semplificandone la sostituzione. Come esempio applicativo, re-powering e ricarica rapida offrono una soluzione a basso costo per il trasporto pubblico locale, perché riduce il peso ed il costo delle batterie

25 Thank you! Per further information

26 Funding This national research project has been funded by the Italian Ministry of Economic Development, with the aim of investigating several system aspects related to the potential mass roll-out of electric vehicles, and particularly their technical, environmental end economic impacts G.Pede, ENEA, Coiltech 2016