Veicoli Elettrici e Ibridi Sistemi Elettrici di Bordo

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1 Veicoli Elettrici e Ibridi Sistemi Elettrici di Bordo Sistemi di avviamento del motore a combustione interna Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 1

2 Perché uno starter distinto dall alternatore coppia di avviamento: circa 80 Nm/litro coppia di spunto: circa 250 Nm / litro => Per un 2000 cc: 160Nm, 500Nm Un alternatore che dovesse fare da starter dovrebbe avere coppie molto elevate, ottenibili con: 1. elevati rapporti di trasmissione (es. 1/10) 2. rapporti più ridotti (al limite unitari) ma macchine di coppia e potenza molto più abbondanti delle attuali La soluzione 1 è quella adottata oggi per lo starter, ma un utilizzo anche come generatore comporterebbe a regime velocità elevatissime (50-60krpm) con conseguenti costi, rumore, perdite La soluzione 2 può risultare fattibile se la potenza di generazione è di alcuni kw; fino a 6 kw è ancora utilizzabile la presa di potenza a cinghia; oltre risulta conveniente l accoppiamento diretto con l albero motore => ISA o ISG (Honda Civic IMA, ora Hybrid) Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 2

3 Tipi di motori normalmente adottati (1) T k I U E RI k RI Eccitazione serie: 2 T k I kk II LmI U E RI k RI ( L m R) I T 2 LmU ( L R) m 20,00 10,00 0, Ecc-serie Ecc.deriv k è adimens. (=Nk w ) Eccitazione a MP e derivata: U k T k R Note: k=k avv N spire è adimensionale La macchina viene dimensionata per avviarsi senza reostato di avviamento Con eccitazione MP e derivata la macchina lineare ha una coppia linearmente decrescente L eccitazione compound ha una quota di eccitazione derivata e una di eccitazione serie e bilancia i due comportamenti Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 3

4 Coppia Tipi di motori normalmente adottati (2) T U k k R Se si considera il motore alimentato da una batteria reale, si ha all avviamento una caduta di tensione che nel caso l avvolgimento derivato è composto da molte spire di piccola sezione, quello serie da poche di grande sezione di eccitazione derivata (=shunt) provoca un deflussaggio che riduce la coppia rispetto al caso di macchina MP L eccitazione shunt è poco usata (preferita la PM) Nel caso di eccitazione compound in una prima fase quando la macchina deve ingranare è necessaria una coppia piccola l avvolgimento derivato spesso viene messo in serie in modo da limitare fortemente corrente e coppia; dopo l ingranamento si ha la vera eccitazione compound. Velocità Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 4

5 Il problema della temperatura a) Cranking speed (depends on battery, and lubrication) b) Minimum required initial engine speed Ms: motor torque Mm: load torque Starting torque is referred to 20% discharged 55 Ah battery The intersections determine the cranking speed Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 5

6 Il problema della temperatura Tengono conto di batteria e motore elettrico Tiene conto di: - batteria - motore elettrico - resistenze ICE Tengono conto di ICE a) Cranking speed b) Minimum required initial engine speed Ms: motor torque Mm: load torque Starting torque is referred to 20% discharged 55 Ah battery The intersections determine cranking speed Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 6

7 Il problema della temperatura Il grafico a DX consente di determinare la curva a a SX (da confrontare con la b per verificare l avviamento) a) Cranking speed b) Minimum required initial engine speed Ms: Starting torque Mm: torque required Starting torque is referred to 20% discharged 55 Ah battery The intersections determine cranking speed Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 7

8 Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore (autovettura leggera) Le caratteristiche consentono di seguire il meccanismo dell avviamento: All inizio si ha il punto destro delle caratteristiche, a velocità e potenza nulla e coppia massima. La tensione è particolarmente bassa. Man mano che la velocità aumenta la coppia diminuisce: la potenza contempera entrambi i fenomeni in modo che prima aumenta (prevale l aumento di velocità) poi diminuisce (prevale la riduzione della coppia Oltre rpm il motore deve essere disconnesso per evitare danneggiamenti Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 8

9 Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore (motocicletta) Batteria considerata: 12 V, 7Ah Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 9

10 Ingranamento a solenoide macchina a magneti permanenti (1) Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 10

11 Ingranamento a solenoide macchina a magneti permanenti (1) tasto avviamento veicolo avvolgim. di tenuta avvolgim. di spinta f c p Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 11

12 Ingranamento a solenoide macchina a magneti permanenti (3) L alimentazione dei due avvolgimenti causa la nascita di una forza assiale sul pistone parzialmente posto al suo interno che, attraverso la leva di ingranamento lo spinge e lo forza ad ingranare nell anello dentato del volano. Contemporaneamente il motore elettrico, attraversato da una corrente ridotta rispetto a quella di spunto a piena tensione, ruota a velocità ridotta, in tal modo facilitando l ingranamento. Al termine dell ingranamento il pignone chiude un interruttore di fine-corsa che bypassa l avvolgimento di spinta; così facendo tale avvolgimento ovviamente cessa di esercitare una spinta sul pignone, il quale rimane in posizione per la forza esercitata dall avvolgimento di tenuta, che contrasta la forza resistente dovuta ad una molla di contrasto. Contemporaneamente si attiva l alimentazione del motore elettrico alla piena tensione. Il motore può quindi iniziare a porre in rotazione il MCI a piena coppia. Quando il MCI si è avviato, e la chiave di avviamento viene rilasciata, la molla di contrasto agisce sul pignone che si sgancia dalla ruota del volano e ritorna nella posizione di riposo. Nel caso di eccitazione compound invece che l avvolgimento di spinta è spesso messa in serie la parte derivata dell avvolgimento di eccitazione Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 12

13 Avviamento automatico La diffusione delle ECU rende oggi frequente l'avviamento automatico. Il pilota emette un comando che viene intercettato dalla centralina che provvede all'avviamento. 1) condizioni necessarie: verifica delle autorizzazioni (sistema anti-theft) verifica che il motore sia fermo (previene lo stress meccanico dell'urto pignone-volano in movimento) verifica dello stato di carica della batteria verifica della frizione: comando in neutro (trasmissioni automatiche) o frizione premuta (trasmissioni manuali) 2) start-stop L'avviamento automatico è la base per il cosiddetto start/stop, con spegnimento del motore in coda o ai semafori. I vantaggi di consumi nel traffico cittadino sono stimati nel 5%. Il MCI deve essere studiato per frequenti e rapidi avviamenti. Il progetto di dell'accoppiamento pignone-corona va rivisto per consentire di sopportare la maggiore usura. Il sistema elettrico deve essere potenziato in modo che la caduta di tensione in avviamento motore non causi effetti sgradevoli o, peggio non comporti il temporaneo spegnimento delle centraline. Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 13

14 Ruota libera (overrunning clutch) La conchiglia è solidale all albero dello starter, l interno porta il pignone Quando la conchiglia trascina il pignone le piste aiutano le molle a serrare i rulli nelle piste e il sistema è solidale Quando il motore si avvia la coppia si inverte, i rulli tornano indietro sulle piste e ci può essere strisciamento fra rulli e piste, e scorrimento fra pignone e conchiglia T Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 14

15 Coppia al motorino DC Meccanismo dell avviamento Se il motore di avviamento porta a 200 giri si evitano gas incombusti (soluzione con ISA) 1 coppia generata dal MCI nell ipotesi di combustione regolare (riportata al motorino d avviamento, r=10) 2 coppia teorica del motore elettrico 3 coppia motrice teorica totale (somma delle curve 1 e 2) Giri riportati al MCI In A ( giri/min) inizia una combustione irregolare del motore; in B, ( giri/min) la combustione si regolarizza ed il contributo del motore A partire da questo punto il motore di avviamento può essere disinserito (C). Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Avviamento MCI 15