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
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
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 11-1-2016) Vigente al: 26-1-2016 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
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
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
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
Gruppo Panda
Propulsore sostitutivo
La batteria, croce e delizia dell elettrico puro
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.
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
Sistemi di accumulo per veicoli a trazione elettrica: quadro d assieme (1) 1000 10000s 1000s 100 Li-Ion 100s 10 1 Pb 10s Accumulatori idraulici 1s 0,1 Supercondensatori 0,1s 0,01 10 100 1000 10000 Potenza specifica [W/kg] G.Pede, ENEA, Coiltech 2016
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
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%
Sistema di accumulo completo
Gestione termica del modulo: essenziale per la durata
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
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
Fast charge: al capolinea e/o in alcune fermate ZeroFilo Bus Industria 2015
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
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
Sistema realizzato e collaudato in ENEA G.Pede, ENEA, Coiltech 2016
Rete di gestione delle informazioni e controllo dei sistemi Strumenti di bordo FIAT Gateway BMS FIAT Body Computer FIAT ECU * Inverter Caricabatteria
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
Thank you! Per further information www.enea.it giovanni.pede@enea.it
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 http://www.enea.it/it/ricerca_sviluppo/documenti/ricerca-di-sistemaelettrico/risparmio-di-energia-elettrica-nei-trasporti/2011/092-rds-pdf G.Pede, ENEA, Coiltech 2016