Dimensionamento di massima di un sistema di propulsione ibrida per una microvettura

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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 Laboratorio CAD Dimensionamento di massima di un sistema di propulsione ibrida per una microvettura Tesi di: Fabio Monducci Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli

2 OBIETTIVI Analisi approfondita della Toyota Prius per adattare il sistema della sua trasmissione alla microvettura ibrida in esame Simulazione del funzionamento della Prius per verificare la bontà dei dati in nostro possesso e l affidabilità del programma creato Confronto con i dati ottenuti attraverso le simulazioni precedenti per valutare eventuali vantaggi Programma utilizzato: MATHEMATICA 5

3 TECNICA IBRIDA Questo tipo di tecnica si basa sulla possibilità di sfruttare due o più sorgenti di alimentazione. Solitamente si ricorre ad un motore a combustione interna, un motore elettrico e all ausilio delle batterie

4 VANTAGGI SVANTAGGI Rispetto delle normativa sull inquinamento e bassi consumi Necessità di avere le batterie, che occupano spazio e aumentano il peso Possibilità di utilizzo solo elettrico, utile in città Aumento dei costi a causa della presenza di due propulsori Recupero di energia in frenata Complesso sistema elettronico di gestione

5 TOYOTA PRIUS Questa è la prima auto ad alimentazione ibrida che è riuscita ad affermarsi sul mercato, grazie ad un prezzo accessibile e al comfort di guida che offre in città, dove c è l uso prevalente del motore elettrico.

6 COMPONENTI DEL SISTEMA Motore a combustione interna di 1.5l, 4 cilindri in linea - Potenza max: 57 kw a 5000 rpm - Coppia max: 115 Nm a 4000 rpm - Consumo specifico: 278 g/kwh Motore elettrico a magneti permanenti - Tensione max: 500 V - Potenza max: 50 kw tra 1200 e 1540 rpm - Coppia max: 400 Nm tra 0 e 1200 rpm - Rendimento: 90% Inverter di corrente 500 V / 201,6 V tra motogeneratori e batterie Generatore a magneti permanenti (potenza limitata a 18 kw) Rotismo epicicloidale con corona,portasatelliti e solare Pacco batterie con 201,6 V di tensione massima

7 COSA MANCA RISPETTO AD UNA VETTURA NORMALE Assenza di un cambio (manuale o automatico): la Prius non utilizza le marce Assenza di frizione: le ruote motrici sono sempre connesse meccanicamente ai motori Assenza di un motorino di avviamento: il motore a combustione interna è avviato dal generatore Assenza di un alternatore: la potenza elettrica è generata dai motogeneratori per quanto necessario

8 IL ROTISMO EPICICLOIDALE E il punto forte della trasmissione della Prius: permette di ottenere un CVT anche se il rotismo è collegato rigidamente alle ruote con rapporto fisso. Il controllo elettronico fa sì che i motori interagiscano tra loro, realizzando una variazione continua di rapporti

9 Al motore elettrico IL ROTISMO EPICICLOIDALE Al motore termico E il punto forte della trasmissione della Prius: permette di ottenere un CVT anche se il rotismo è collegato rigidamente alle ruote con rapporto fisso. Il controllo elettronico fa sì che i motori interagiscano tra loro, realizzando una variazione continua di rapporti Al generatore

10 IL ROTISMO EPICICLOIDALE

11 FASI PRINCIPALI DI FUNZIONAMENTO Avviamento Partenza da fermo Farfalla completamente aperta Recupero di energia in frenata

12 MICROVETTURA: DATI TECNICI Motore a combustione interna 180cc monocilindrico (Aprilia Atlantic) - Coppia max: 16.9 Nm a 6500 rpm - Potenza max: limitata a 10 kw Motore elettrico Lynch LEM-200 a magneti permanenti - Coppia max: 35 Nm tra 0 e 1500 rpm - Potenza max: limitata a 8 kw - Tensione max: 72 V - Rendimento: 92% Batterie: piombo acido o litio (queste necessitano di ultracapacitore) - Corrente di scarica: 150 A Controller Curtis - Tensione ammessa V - Corrente massima per 1h: 175 A

13 IL PROBLEMA DEL GENERATORE Sulla microvettura in esame non si pone il problema del generatore, che è fondamentale per il funzionamento del sistema studiato, perché rende completamente indipendente la microvettura dalla rete elettrica

14 SEMPLIFICAZIONI DI FUNZIONAMENTO Il motore termico entra in funzione solo dopo i 15 km/h. Prima agisce solo il motore elettrico che si stacca a quella velocità La batteria è considerata carica Si pensa che il motore mantenga tutta la sua energia per muovere l auto, con un generale bilanciamento tra la situazione reale e quella considerata nelle simulazioni (l energia ceduta al generatore verrebbe poi convertita in elettricità per il motore elettrico)

15 RISULTATI SULLA PRIUS Simulazione della curva combinata di coppia alle ruote, in funzione della velocità (1) Andamento combinato del rapporto di trasmissione alle ruote in funzione della velocità (2) Accelerazione complessiva della vettura in funzione della velocità (3) Tempo impiegato per arrivare da 0 a 100: 13,94s (10,9 dichiarato) Consumo del ciclo CEE motore termico: Kg Corrente sviluppata dal generatore: A (le batterie sopportano 80 A da scariche e 50 A da cariche)

16 RISULTATI SULLA PRIUS 1 2 3

17 RISULTATI SULLA MICROVETTURA Simulazione della curva combinata di coppia alle ruote, in funzione della velocità Andamento del rapporto combinato di trasmissione alle ruote in funzione della velocità ( il rapporto fisso in uscita dal rotismo è stato portato a 6) Accelerazione complessiva della vettura in funzione della velocità Tempo impiegato per arrivare da 0 a 80 (limitata per avere un confronto): s Consumo del ciclo CEE motore termico: g Potenza max sviluppabile dal generatore: W

18 RISULTATI SULLA MICROVETTURA 4 5 6

19 CONFRONTO CON LE SOLUZIONI PRECEDENTI Modello tempo 0-80 consumo 2 CVT: (max 77 kmh) s g CAMBIO 4 RAPPORTI: s g CAMBIO 6 RAPPORTI: 13.6 s g

20 CONCLUSIONI Toyota Prius: - la presenza del generatore è essenziale per il funzionamento - vantaggio nell uso urbano: il motore termico entra in azione raramente (per ricaricare la batteria) e questo fa sì che i consumi siano bassi; nell uso extraurbano i consumi crescono Microvettura: - il sistema ha dato buoni risultati, essendo vicino alla soluzione con 6 rapporti come prestazioni, ma avendo consumi più ridotti - dall analisi del generatore: risulta necessaria una modifica del rapporto di ingranaggio tra gli elementi del rotismo e la potenza sviluppata è alta (se confrontata alla Prius)

21 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 Laboratorio CAD Dimensionamento di massima di un sistema di propulsione ibrida per una microvettura Tesi di: Fabio Monducci Relatore Prof. Ing. Luca Piancastelli