Sistemi Elettrici di Bordo Architetture di veicoli a propulsione elettrica 1
Definizioni Veicoli elettrici (=veicoli a propulsione elettrica) Per veicoli elettrici (electric vehicles EVs ) intendiamo veicoli in cui sono presenti uno o più motori elettrici che forniscono potenza di propulsione in modo esclusivo o in aggiunta ad altri dispositivi Veicoli ibridi Per veicoli ibridi (electric-hybrid vehicles HEVs) intendiamo veicoli elettrici in cui la potenza di propulsione proviene da più fonti indipendenti EVs=BEVs+HEVs Con queste definizioni i veicoli elettrici sono divisi nelle due categorie di veicoli elettrici a batteria (Battery Electric Vehicles BEVs) e veicoli ibridi. Ai fini del nostro corso occorre aggiungere anche i veicoli filoalimentati cioè filobus, tram, treni. Noi li chiameremo WEV: wire-fed electric vehicles VEI-SEB: Architetture EV 2
Definizioni (2) mains Battery P batt P p EPC Motor Power train T P BEV (battery EV) P aux Power train mains P tot P p EPC Motor T WEV P P aux (wire-fed EV) VEI-SEB: Architetture EV 3
Battery P batt Power train P p T BEV Battery EPC Motor P P aux Auxiliary Systems (battery EV) La batteria può essere: Un sistema monolitico (composta da più celle della stessa tipologia) Un sistema ibrido (composto da una sottobatteria orientata alla potenza, per le accelerazioni e alle frenate, ed una sottobatteria orientata all'energia, per avere ampia autonomia. La parte orientata alla potenza può essere effettuata con sistemi elettrostatici, più che elettrochimici i supercondensatori. Anche la batteria monolitica è però composta da molteplici celle, tipicamente in serie fra loro, ma anche secondo schemi di tipo serie-parallelo VEI-SEB: Architetture EV 4
Power train/electric drive P batt Battery EPC Motor P aux electric drive T P Power train BEV (battery EV) La trasmissione normalmente è a rapporto fisso, anche se non mancano casi in cui sono previsti più rapporti (di solito non più di due). Tipi di azionamenti: 1. Basati su macchina in corrente continua (tendono ad essere abbandonati) 2. Basati su macchina asincrona trifase (controllo scalare o vettoriale) 3. Basati su macchina sincrona a magneti permanenti (az. Brushless) 4. Basati su motore sincrono a rotore avvolto 5. Basati su motore a riluttanza commutata Note: Gli azionamenti 2 e 3 sono i più usati per autovetture e richiedono inverter a commutazione forzata e verranno analizzati con maggior dettaglio Gli azionamenti 3 sono usati spesso su WEV e possono far uso di inverter a commutazione naturale VEI-SEB: Architetture EV 5
Potenza specifica delle varie soluzioni LE BLDC Brushless DC sono macchine sincrone a MP Aumentando rame o ferro si riducono le potenze specifiche e si aumentano i rendimenti. Normalmente è più difficile realizzare alti rendimenti nelle macchine asincrone rispetto alle altre tipologie per via delle perdite rotoriche. Le macchine a MP sono in fase di grande sviluppo, con forte riduzione dei MP. Perplessità su una loro adozione generalizzata si hanno riguardo alla disponibilità delle terre rare che costituiscono i MP: il 90% della loro produzione mondiale è localizzata in un unico paese (Cina dati 2008) VEI-SEB: Architetture EV 6 6
EV - Possibilità di evitare il cambio di velocità Veicolo convenzionale Veicolo elettrico km/h VEI-SEB: Architetture EV 7
EV - Possibilità di evitare il cambio di velocità VEI-SEB: Architetture EV 8
EV - Mappe di rendimento Veicolo convenzionale ad accensione comandata (2,2 litri) 33 kw e= Veicolo elettrico (solo propulsione; per i veicoli a batteria va moltiplicato per il rend. di batteria, circa 90%) 20 e=80/c con c[g/kwh] hyp: PCI=12,5kWh/kg Eu 1 1/12,500E 3 Echim g kwh chim g c Pcal,inf c kwhu g kwhu VEI-SEB: Architetture EV 9
Esempio di caratteristica meccanica e mappe di rendimento di macchina a magneti permanenti VEI-SEB: Architetture EV 10 10
Caratteristica meccanica motore elettrico Toyota Prius sere II Osservazioni: Il I quadrante è relativo alla trazione, il IV alla frenatura a recupero. Se si considerasse anche la retromarcia avremmo tutti e 4 i quadranti. Questo motore ha un'elevata elasticità (=rapporto fra le velocità alle quali si ha la massima potenza), cosa molto utile per le autovetture prive di trasmissione variabile a valle della macchina VEI-SEB: Architetture EV 11 11
Architettura in relazione allo schema di trasmissione C: Clutch D: Differential FG: Fixed gearing GB: Gearbox M: Electric Motor NOTE: 1. Lo schema a) è stato usato negli anni '80-'90 per minimizzare le trasformazioni rispetto a veicoli convenzionali ma è oggi completamente abbandonato 2. Gli schemi b) e c) presentano l'inconveniente di richiedere il differenziale e anch'essi sono oggi normalmente abbandonati 3. Gli schemi d, e, f sono quelli oggi normalmente usati. Il controllo individuale di coppia sui motori rende il differenziale superfluo. VEI-SEB: Architetture EV 12