Propulsione elettrica con alimentazione a idrogeno e ibrida elettromeccanica Giovanni Lutzemberger Università di Pisa Montecatini, 25-26 maggio 2012 1
Sommario Introduzione: i veicoli ibridi Progettazione e realizzazione di un veicolo ibrido a celle a combustibile Progettazione di una piattaforma di autobus elettrici e ibridi Conclusioni Montecatini, 25-26 maggio 2012 2
Sommario Introduzione: i veicoli ibridi Progettazione e realizzazione di un veicolo ibrido a celle a combustibile Progettazione di una piattaforma di autobus elettrici e ibridi Conclusioni Montecatini, 25-26 maggio 2012 3
1. Introduzione: i veicoli ibridi Definizioni (1/2) Veicolo ibrido Veicolo in cui l energia di propulsione è resa disponibile da due o più fonti energetiche presenti a bordo, creando almeno un flusso di energia tra la sorgente e le ruote di tipo reversibile, e almeno un flusso di energia di tipo non reversibile 1. source 1 source 2 P 1 P 2 P P P 3 Interface wheels source n P n 1: definizione tradotta da CEN-EN 13447 Montecatini, 25-26 maggio 2012 4
1. Introduzione: i veicoli ibridi Definizioni (2/2) Configurazione tipica Due fonti, una delle quali costituita da un convertitore primario; l altra, bidirezionale, da un sistema di accumulo. wheels fuel Primary Converter P 1 P P Interface P 2 Stationary Recharge Option Rechargeable Energy Storage System Tipologia 1.Serie: i contributi si sommano in un nodo elettrico. 2.Parallelo: la somma avviene tra grandezze meccaniche. 3.Serie-Parallelo: combinazione dei due precedenti. 4.Split: i contributi si sommano sulla strada. Montecatini, 25-26 maggio 2012 5
1. Introduzione: i veicoli ibridi Architetture (1/2) Ibrido serie I contributi delle due fonti si sommano in un nodo elettrico. Montecatini, 25-26 maggio 2012 6
1. Introduzione: i veicoli ibridi Architetture (2/2) Ibrido parallelo La somma delle potenze avviene tra grandezze meccaniche. Montecatini, 25-26 maggio 2012 7
Sommario Introduzione: i veicoli ibridi Progettazione e realizzazione di un veicolo ibrido a celle a combustibile Progettazione di una piattaforma di autobus ibridi Conclusioni Montecatini, 25-26 maggio 2012 8
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Analisi WtW per diverse tipologie di veicolo Montecatini, 25-26 maggio 2012 9
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile La soluzione a idrogeno I veicoli a idrogeno, in termini di efficienza Well to Wheels, appaiono equiparabili a quelli convenzionali. La soluzione elettrica a batteria si conferma quella a più alta efficienza energetica. Si ipotizza comunque un miglioramento, relativamente ai metodi di preparazione del combustibile, per la soluzione a idrogeno 1. SMR Steam Methane Reforming IGCC Integrated Gasification Combined Cycle CCS CO 2 Capture Storage WE Water Electrolysis CG Coal Gasification 1: International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy Montecatini, 25-26 maggio 2012 10
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Specifiche prestazionali Veicolo di riferimento Veicolo adibito al trasporto merci in ambito urbano (Piaggio Porter). Principali requisiti Prestazioni migliorate. Capacità di carico inalterata rispetto alla versione standard. Strada piana Massima velocità: 80 km/h (A) Accelerazione 0-80 km/h entro 60 s Autonomia alla max velocità: 150 km Pendenza 25% Velocità massima: 20 km/h (B) Accelerazione iniziale: 0,3m/s²(C) Autonomia alla max velocità: 2 km Montecatini, 25-26 maggio 2012 11
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Architettura del sistema propulsivo Veicolo ibrido serie: tutta la propulsione è affidata alla macchina elettrica EM. Il convertitore primario è costituito da un sistema di generazione elettrica a idrogeno. Fondamentale è il ruolo del modulo di gestione della potenza PMM. Gli algoritmi di gestione sono stati sviluppati dall Università di Pisa. P FCS Fuel Cell System power P ED Electric Drive power P RESS Storage System power Montecatini, 25-26 maggio 2012 12
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Dimensionamento dei componenti Modellazione del sistema di propulsione. Matlab Simulink Dimensionamento e scelta dei componenti. Sistema di generazione A Fuel Cells Batteria al litio Veicolo Numero di celle 144 Number of cells 42 Massa telaio (kg) 750 Tensione nominale (V) 83 Tensione nominale (V) 155 Massa ED (kg) 122 Corrente nominale (A) 160 Capacità nominale (Ah) 31 Massa FCS/RESS (kg) 151 Area di cella (cm²) 210 Energia nominale (kwh) 4,8 Carico (kg) 550 Massa (kg) 60 Massa (kg) 44 Totale (kg) 1573 Montecatini, 25-26 maggio 2012 13
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Logica di gestione dell energia power (kw) La Fuel Cell eroga il valore di potenza media richiesta per la propulsione. La batteria eroga il surplus di potenza richiesta durante le fasi di accelerazione, recuperando energia in frenatura. Flussi di potenza simulati in un intervallo del ciclo NEDC (New European Driving Cycle). potenza richiesta 30 20 10 0-10 -20 RESS ED FCS -30 600 700 800 900 1000 1100 1200 time (s) potenza media componente ripple Montecatini, 25-26 maggio 2012 14
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Layout Tutti i componenti sono stati disposti senza alcuna riduzione dello spazio presente a bordo (abitacolo e vano di carico), in accordo con i requisiti iniziali. Montecatini, 25-26 maggio 2012 15
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Test sperimentali (1/2) Verifica dei singoli componenti: prove di funzionalità. Test sul sistema integrato. exhaust Fuel Cell System H 2 inlet electronic board Sistema di generazione elettrica a idrogeno Azionamento elettrico Montecatini, 25-26 maggio 2012 16
2. Veicolo ibrido a celle a combustibile Test sperimentali (2/2) Installazione a bordo del veicolo. Test finali su banco a rulli. Sottoscocca del veicolo Veicolo in prova al banco Montecatini, 25-26 maggio 2012 17
Sommario Introduzione: i veicoli ibridi Progettazione e realizzazione di un veicolo ibrido a celle a combustibile Progettazione di una piattaforma di autobus elettrici e ibridi Conclusioni Montecatini, 25-26 maggio 2012 18
3. Piattaforma di autobus ibridi Veicolo di riferimento I veicoli presi a riferimento sono autobus esistenti BMB (Breda Menarini Bus), nella versione a 9, 12, 18 metri. Le versioni a 9 e 12 metri sono impiegate in contesti urbani, la versione a 18 metri è riservata ai percorsi extra-urbani. Il powertrain del veicolo convenzionale è costituito da un motore diesel e un cambio automatico, accoppiato all ICE attraverso un convertitore di coppia idraulico. Autobus - versione 12 metri Massa a vuoto (t) 14,35 Massa pieno carico (t) 17,08 Cilindrata (cm³) 7200 Potenza massima (kw) 213 Coppia massima (Nm) 1200 Consumo ciclo SORT1 (L/km) 0,497 Montecatini, 25-26 maggio 2012 19
3. Piattaforma di autobus ibridi Architettura del sistema propulsivo Anche in questo caso l architettura è ibrida di tipo serie: i contributi delle due fonti si sommano in un nodo elettrico. Il convertitore primario è ora costituito da un motore a combustione interna collegato ad un generatore elettrico (EGS). Montecatini, 25-26 maggio 2012 20
3. Piattaforma di autobus ibridi Attività di modellazione e simulazione I simulatori sono stati realizzati e reciprocamente validati mediante l utilizzo di differenti software di modellazione. 3DS Dymola based on Modelica Montecatini, 25-26 maggio 2012 21
3. Piattaforma di autobus ibridi Dimensionamento dei componenti Versioni Autobus 9 metri 12 metri 18 metri Carico parziale (t) 11,3 14,3 21,1 Pieno carico (t) 13,95 17,96 26,67 Ausiliari (kw) 6 9 12 Potenza max ICE (kw) 48 61 84 Potenza eff ICE (kw) 36 48 69 Potenza EG (kw) 60 60 90 Potenza ED (kw) 2 x 60 2 x 90 4 x 60 Energia RESS (kwh) 31,1 38,9 51,8 Corrente RESS ciclo SORT1 (A/Ah) 3C/2,5C 3C/2,5C 3,5C/3C Montecatini, 25-26 maggio 2012 22
power [kw] 3. Piattaforma di autobus ibridi Risultati: flussi di potenza sul Ciclo SORT La logica di gestione dell energia adottata è simile al caso precedente. Le potenze erogate dai diversi componenti (RESS, ED, EGS, AUX) sono legate attraverso la seguente equazione di bilancio energetico. P ED (t) + P AUX (t) = P EGS (t) + P RESS (t) 200 100 0-100 RESS ED EGS AUX -200 0 50 100 150 Montecatini, 25-26 maggio 2012 23
3. Piattaforma di autobus ibridi Risultati: consumo di combustibile La mappa del propulsore è stata scalata a partire da quella del veicolo di partenza, per evitare il funzionamento del motore in zone a bassa efficienza. La riduzione di consumo rispetto al veicolo convenzionale è pari al 24 %. L impiego di una strategia di tipo ON-OFF del convertitore primario consente una ulteriore riduzione di combustibile, pari al 2%. Convenzionale SORT1 Ibrido SORT1 Ibrido ON-OFF SORT1 Autobus - 12 metri 0,759 L/km Convenzionale SORT1 congestione 0,579 L/km Ibrido SORT1 congestione 0,567 L/km Ibrido ON-OFF SORT1 congestione 0,839 L/km 0,634 L/km 0,624 L/km Montecatini, 25-26 maggio 2012 24
3. Piattaforma di autobus ibridi Risultati: analisi dei costi VAN e tempo di rientro dell investimento sono stati calcolati considerando un tasso di interesse del 4%. Componenti: ICE, ED, EG, RESS sono stati valutati considerando il costo dell hardware, quello di sviluppo e il trend futuro. Costi d uso: standard scenario standard nel quale l autobus rimane in servizio per 15 anni, per una percorrenza complessiva di 750 000 km. I consumi di combustibile sono quelli simulati. Manutenzione: sostituzione dell ICE dopo 250 000 km, del pacco batterie dopo 8 anni. Anno 2010 10 HEVs Anno 2020 1000 HEVs VAN (k ) 59,5 93,1 TIR (%) 15 32 Payback time (y) 6,5 3 Montecatini, 25-26 maggio 2012 25
Sommario Introduzione: i veicoli ibridi Progettazione e realizzazione di un veicolo ibrido a celle a combustibile Progettazione di una piattaforma di autobus ibridi Conclusioni Montecatini, 25-26 maggio 2012 26
Conclusioni L esperienza del veicolo a idrogeno ha permesso, in aggiunta all analisi critica di una tecnologia non ancora del tutto matura, di progettare, realizzare e sperimentare un sistema a propulsione ibrida di tipo serie ottenendo interessanti avanzamenti della conoscenza. L attività sugli autobus ibridi ha mostrato l effettiva realizzabilità delle soluzioni proposte, valide non soltanto sul fronte della riduzione dei consumi ma anche sul piano dei costi realizzativi, specie nell ipotesi di una produzione industriale. Le due esperienze appaiono centrate anche in relazione al nuovo modo di concepire la mobilità urbana, meno focalizzata sulle auto private e più orientata alla valorizzazione dei mezzi pubblici. Montecatini, 25-26 maggio 2012 27