Umberto De Martinis
Docente OrdinarioUniversità degli Studi di Napoli Federico II
Contatti
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Didattica
I veicoli elettrici e ibridi
Dinamica e Controllo dei Veicoli
• Introduzione.
• Veicoli Elettrici eIbridi
• Le Batterie per i veicoli elettrici eibridi
• L’utilizzo dell’idrogeno (fuelcell)
• Gli azionamenti elettrici ditrazione
• Il controllo dei veicoliElettrici/Ibridi
• Ibridizzazione automotriceFerroviaria Aln668
• Ibridizzazione Fiat Punto1.2.
Introduzione
• Le problematiche ambientali spingono per lo sviluppo di veicoli ad emissioni ridotte o nulle, sia per l’ambito automobilistico cheferroviario.
• Esistono le seguentipossibilità:
D Veicolielettrici
D Veicoli ibridi (motoreendotermico+elettrico)
D Veicoli ibridi a idrogeno (fuel cell+motoreelettrico)
D Veicoli a combustione interna adidrogeno.
• La propulsione elettrica e ibrida (basata su motori endotermici edelettrici) appare come una soluzione attuabile per la riduzione delleemissioni.
• L’utilizzo di un sistema ibrido basato su celle a combustibile ed accumulo ad idrogeno appare come una via percorribile per ottenere in futuroveicoli.
• Nei veicoli elettrici l’energia necessaria al moto è immagazzinata inun accumulatore elettrochimico(batteria).
• Nei veicoli ibridi esiste quindi una sorgente primaria di energia basata sudi un combustibile (idrocaburi o idrogeno), ed una sorgente ausiliaria reversibile(batteria).
• Esiste poi una catena di conversione (basata su oggetti elettrici,elettronici e meccanici) per arrivare dalle sorgenti energetiche allapropulsione.
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Schema veicolo Propulsione Elettrica
Elementi del Power Train:
•
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Batteria di Accumulatori e capacità(sorgente)
• DC/AC: Convertitore elettronicoInverter
• M 3f : Motore elettrico in correntealternata
•
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Trasmissione a rapportofisso.
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Meccanica Elettrica Controllo
Veicoli Elettrici
Vantaggi:
• assenzacambio/frizione.
• Recupero dell’energia infrenatura.
• Elevata efficienza nella conversioneenergetica.
• Zero emissioni all’utilizzo. Svantaggi:
• Limitata autonomia (120-150km).
• Limitate prestazioni (120 km/h vel.max.).
• Tempi di ricarica (4-7h)
• Costi ancoraelevati.
• Prezzi abbordabili grazie aglieco-incentivi.
Esempio Auto Elettrica City Car
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Schema veicolo Propulsione Ibrida
Veicoli a propulsione ibrida
• Nel veicolo ibrido la sorgente primaria di energia “brucia” un combustibile (idrocarburi, idrogeno) trasformandolo direttamente in energia meccanica oppure azionando un generatoreelettrico.
• La sorgente ausiliaria è reversibile (può anche accumulare energia, ad esempio dalla frenatura) e contribuisce a fornire energia elettrica da utilizzarsi per la propulsione.
• Esistono differenti tipologie: i)IbridoSerie ii) Ibrido Parallelo iii) IbridoBimodale
• Le due sorgenti hanno una energia nominale immagazzinata e una potenzanominale.
• I rapporti tra i valori di potenza e energia delle due sorgenti definiscono i “gradi diibridizzazione”
Veicolo Ibrido Serie
• La sorgente primaria produce energia elettrica e garantisce l’accumulo di energia nella sorgente ausiliaria.
• L’energia elettrica complessiva è utilizzata da un azionamento elettrico ditrazione.
• Esistono due possibili sorgentiprimarie:
* gruppo motore C.I.+generatoreelettrico,
* cella a combustibile a idrogeno (fuelcell);
• Il flusso energetico percorreinserie: sorgenteprimaria,sorgente ausiliaria, azionamento elettrico (inverter+motore), trasmissione,ruote.
• Le sorgente ausiliaria è solitamente una o l’insieme delle seguenti:
D Accumulatore elettrochimico (batterie)
D Capacità(condensatoriE=1/2CV2)
D Volano con azionamento elettrico (E=1/2 Jw2)
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Ibrido serie con motore C. I.
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Ibrido serie con motore C. I.
• Vantaggi
D Nessun legame fisico tra M.C.I. e ruote (assenza frizione/cambio)
D M.C.Idipotenzaridotta
D Lavora a velocità e carico pressochécostanti
D Pieneprestazioniinpuroelettrico
DOttimoControllodicoppiatrazione/frenatura
• Svantaggi
D Componentistica elettrica dimensionata perlapiena potenzaveicolo.
D Presenza del Generatore elettrico dimensionato per la piena potenza
DBatteriemoltoingombranti
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Ibrido serie ad Idrogeno
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Ibrido serie con Celle a Combustibile
(Idrogeno)
• Vantaggi
D Emissioni ridottissime (se l’idrogenoè usato comecombustibile).
D Elevata efficienzacomplessiva.
• Svantaggi(Attualmente)
D Costielevati.
D Problemi di produzione/stoccaggioidrogeno.
D Problematiche di sicurezza perl’idrogenoa bordo.
DDurataeAffidabilità
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Propulsione Ibrida: Parallela
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Meccanica Elettrica Controllo
Ibrido parallelo
• Vantaggi
DCosti in linea con le attualiautomobili
D Componenti elettrici (azionamentoebatterie) dimensionati non per la pienapotenza
• Svantaggi
D Prestazioni con uno solo dei duemotoriattivi ridotte.
D Autonomiainpuroelettricoridotta.
Propulsione Bimodale: Parallela
Veicolo Ibrido Bimodale Parallelo
• Vantaggi
D Si modifica una vettura di serie aggiungendounazionamentoelettrico.
D Possibilità di funzionare con motore endotermico a piene prestazioni
D Possibilità di funzionare con il solo motore elettrico con prestazioni e autonomie ideali per utilizzo cittadino (vel-max 70 km/h autonomia 40 km)
D Modalità di funzionamento miste molto interessanti (ricarica, ibrido parallelo per riduzione consumi carburante ed emissioni)
• Svantaggi
D Costi trasformazione attualmente ancoraelevati
D RiduzioneVanoBagagliaio
D Aumento dei pesi veicolo.
Efficienza Energetica Veicoli
Confronto efficienza (dal combustibile fossile alla ruota) su viaggio di 110 km.
• Veicolo tradizionale M.C.I. h=28%
• Veicolo elettrico h=32% (energia elettrica prodotta in centraletermoelettrica)
• Veicolo ibrido (serie o parallelo) con produzione energia elettrica a bordo h=40,5%
• Veicolo ibrido a fuel cell h=43% (idrogeno)
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Raffronto Tecnologie Veicoli Energetica/Ambientale
Conversione elettrochimica
PILA se il dispositivo è irreversibile
ACCUMULATORE o BATTERIA se il
dispositivo è irreversibile
Cu++
®Cu
+ 2e
Tipologie di accumulatori:
•Piombo acido
•Piombo sigillata o gel
•Nickel-Cadmio
•Nickel-Idruri di metallo
•Nickel-Zinco
•Ioni di litio
•Zebra (Ni-NaCl)
Zn +2e®
Zn++
Dati di targa delle batterie
• CAPACITÀ ([Ah]): quantità di corrente che la batteria completamente carica può fornire in una fase di scarica di durata indicata, in determinate condizioni (per un ora ad esempio).
• ENERGIA SPECIFICA ([Wh/kg): energiaelettrica accumulabile per unità dimassa
• POTENZA SPECIFICA ([W/kg]): potenzaelettrica accumulabile per unità di massa
• Tensione Nominale: Valore della tensione che erogano in pieno stato dicarica.
• Numero di cicli: numero di cicli di carica/scarica completa che possono compiere prima di danneggiarsi e dover esseresostituite
Le batterie al piombo (Pb acido, Pb gel)
• anodo di polvere di piombo(Pb)
• catodo di diossido di piombo(PbO2)
• Potenziale elettro-chimico 2,1V
Vantaggi
• correnti moltoelevate
• affidabile
• lungavita
•
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costicontenuti
Svantaggi
• bassa energiaspecifica
• contiene piombo (problema parzialmente risolto con le Piombogel)
• pesi e ingombrielevati
Le batterie al nickel (NiCd, NiMH, NiZn)
• anodo leghe metalliche alnickel
• catodo dinickel
• Potenziale elettro-chimico 1,4V
Vantaggi
• elevata energiaspecifica
• elevata potenzaspecifica
Svantaggi
• basso numero dicicli
• necessità di una fase iniziale dirodaggio
•Costi
Nichel Cadmio: 2 NiO(OH) + Cd + 2 H2O ↔ 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Nichel Idruri Metallici:
Anodo: MH + OH- -> M + H2O + e-
Catodo: NiO(OH) + H2O + e- -> NiO(OH) 2 + OH-
Reazione completa MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)2
Le batterie agli ioni di litio (Li-ion)
• Anodo: atomi di litio “immersi” in strati digrafite
• Catodo: il catodo è un sale (solitamenteLiMn2O4)
• Potenziale elettro-chimico 3,7V
ReazioneAnodica ReazioneCatodica
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Vantaggi
• elevata energiaspecifica
• elevata potenzaspecifica
• nessun effettomemoria
Svantaggi
• costo ancoraelevato
• prestazioni variabili a seconda della qualità delle materieprime
Le batterie ZEBRA (Ni-NaCl)
• Elementi costitutivi: cellesodio-nickel
• Funzionano a temperatura di 280°C con elettrolita fuso a clururo disodio
Reazione Completa:
Scarica
2Na + NiCl2 2NaCl + Ni
Carica
Vantaggi
• elevata energiaspecifica
• nessun elemento tossico(sale!)
Svantaggi
• funziona a temperaturaelevate (300°C)
• si auto scarica in 8-10giorni
Confronto Potenza Energia
Specifica Batterie
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Tabella ConfrontoBatterie
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Zebra |
80-190 Wh/kg |
2.4 |
300 |
2-5 h |
100 % |
2.8 V |
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• Le tecnologie attualmente utilizzabili e promettenti per i veicoli sono lebatterie al litio, le batterie Zebra e leNiMH.
• Le batterie al Piomborimangono una tecnologia economica per iveicoli senza prestazionistringenti
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Idrogeno: Cella a combustibile
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Veicolo a Idrogeno (fuel cell)
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Reforming dell’Idrogeno
A partire dal metano si può ottenere idrogeno
CH4
+H2 0=CO+3H2
+205,1kJ
CH4
+ 1O
2
2 =CO +2H2
-37,7 kJ
Vantaggi:
* Stoccaggio a bordo veicolo di un idrocarburo (meno pericolosodell’idrogeno)
* Non vi è necessità di riconvertire le stazioni dirifornimento Svantaggi:
* Presenza anche del reforming abordo
* Emissioni di CO2 (molto minore dell’equivalente aC.I.)
Oppure usare Direct Methanol Fuel Cell (fuel cell che usano direttamente metanolo)
La tecnologia ad idrogeno
• La tecnologia ad idrogeno non è ancora matura per essere introdotta vanno risolti i seguenti problemi:
* Problematiche di sicurezza per lo stoccaggio a bordo.
* Costi (una city car oggi costa 200.000€)
* Infrastrutture per la distribuzione agliutenti
* Metodologie perprodurlo.
* Durata e affidabilità delle celle (ora siamo a 3000ore)
Gli AzionamentiElettriciper i
Veicoli Elettrici e Ibridi
• I motori elettrici più usatisono:
D Motori in CC a Magneti permanenti o Ecc. Sparata (piccoliveicoli)
D Motori Brushless veicoli ibridiparalleli
D Motori Asincroni veicoli elettrici di medie grosse dimensioni (ibridiserie)
• Convertitore:
D Chopper per i motori inC.C.
D Inverter per Motori Brushless easincrono
• Controlli:
D Controllo Vettoriale (la coppia è controllata attraverso lacorrente)
D Controlli Diretti diCoppia
D Tecnologia Digitale Digital Signal Processor(firmware)
Il motoreasincrono
Rotore
Avvolgimento e pacco statorico
Il motore asincrono è costituito da uno statore conavvolgimento
Carcassa statorica con raffreddamento ad acqua
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trifase e da un rotore con un avvolgimento trifase a barre poste in contro circuito.
Per ridurre i costi, visto che sono collegati a stella e in corto tra di loro, glia avvolgimenti di rotore si realizzano con conduttori a barre cortocircuitati in modo di formare una gabbia.
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a)
b)
a)Collegamentoavvolgimentirotoricib)realizzazioneavv.rotoricimediantegabbia
Risoluzione circuito semplificato
Coppia e Potenza (relazioni semplificate)
Le relazioni seguenti danno la coppia e la corrente in funzione di:
• velocitàdi sincronismo (frequenza dialimentazione)
• Tensione V (concatenata)
• Velocità di rotazione meccanica (attraverso lo scorrimento s=(wo-w)/wo)
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Caratteristiche: Corrente, Coppia, Potenza in funz. velocità
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Funzionamento sui 4 quadranti
• La coppia diventa negativa (generatore quindi frena) ses<0
• Per cambiare il senso di rotazione si cambia il senso ciclico dellefasi
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Caratteristiche variazione di
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Tensione e di frequenza
La coppia dipende da s. All’aumentare dello scorrimento aumenta la coppia
Se s è negativo anche la coppiaènegativa. 40
•Inverter 3-fase aIGBT
•Sorgente di Alimentazione (batteria, generatore fuelcell) efiltro.
L’inverter è in grado di Variare tensione e frequenza in uscitacon Il metodo PWM o con Il metodo a 6gradino
•Motore asincrono
•Gear Box
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Regolazione a Frequenza e Tensione variabili con Inverter
Curve Coppia Massima eNominale
Coppia Massima
Coppia Nominale
vettoriale
• Si utilizza un altro circuitosemplificato
• La potenza erogata è uguale a quella dissipata sulla resistenzafittiziaRr/s Vs
• E’ come il motore in CC a ecc.indip.
• Ci sono due correnti (le componentidel fasore) una che regola il flusso e l’altra lacoppia.
Circuito Equivalente a Regime
R r s
C =nyr
· Is
cos g=nM
· Id
· Iq
=K( Id
)Iq
Is =Isd +jIsq
Id è legata al flusso Yr
Iq è legata alla coppia
Âsa º as
VettorialeGS..
vsa,,b, c rif
Vddc
va vb
M S
J
T -1 (J)
ia J
Trif
vd vq
id
T (J)
MC...C
equivalente
Regolatore
iq
J
•Il controllo viene effettuato sulle componenti dei fasori cioè controllando una sortadi
“Macchina in C.C. equivalente” virtuale;
•Le componenti id, iq si ottengono dalle misure di ia,ib e ic e dalla trasformazione T(q);
•Le tensioni da applicare alla macchina va,b,c rif si ottengono dalle componentivd,q
attraverso la trasformazione inversa T-1(q) ;
•Sono presenti: i) un blocco di calcolo G.S. P.W.M. che calcola gli impulsi PWM
ii) l’inverter che applica alla macchina gli impulsi di PWM alimentandola con letensioni
necessariealcontrollo 45
Componenti dell’azionamento Elettrico
Componenti Fondamentali:
* sorgente dialimentazione
* convertitore elettronico dipotenza
* motore elettrico
* controllo
Componenti Ausiliari
* impianto di raffreddamentomotore
* impianto di raffreddamentoconvertitore
* sensori (elettrici meccanicitermici)
* alimentazioni ausiliarie (impianto a 12-24V)
* interfacciamento con pilota e impianto veicolo
46
La caratteristica Meccanica dell’Az. Elettrico
• L’azionamento elettrico ha una caratteristica di forza di trazione checorrisponde all’inviluppo della caratterista di un cambio manuale +MCI.
• La coppia nominale (forza di trazione) alla velocità massima corrispondealla resistenza all’avanzamento a talevelocità.
F v0
Fprodotta
da un M.C.I.
I°
II°
III°
F resistente alla avanzamento (pianura)
F Azionamento Elettrico (Max)
F Azionamento Elettrico (Nom)
F vM
IV°
V°
v
47
0 vvo vvM
Il controllo nei veicoli Elet./Ibridi
• Controllo di trazione az.Elettrico
• Controllo motoreC.I.
• Controllo sistemi di accumulo energetico (batterie-generatore, fuel cell, ricarica in moto, recupero in frenatura etc.etc.).
• Controllo del moto e dinamica delveicolo
• Interfacciamento e gestione modalità di funzionamento veicolo
• Interfacciamento con dispositivi di controllo veicolo (ABS, ESP, EPS,Strumentazione)
• Rete di comunicazione veicolare CAN (Controller AreaNetwork)
La progettazione Integrata
• Analisi prestazioni e servizioveicolo.
• Modello energetico e dimensionamento componenti sistemapropulsione.
• Analisi Consumi ed Emissioniinquinanti.
• Progettazione componenti elayout.
• Modello/i dinamico completo studio sistema di controllo e stabilità (moto, energetica, conversione elettronica, azionamento elettrico,trasmissione
/cambio, stabilità e dinamica veicolo).
• Attivitàsperimentali.
Ibridizzazione Automotrice Diesel
ferroviaria Aln 668
• Sostituzione dell’attuale propulsore diesel con un sistema ibrido serie (motore diesel-generatore sincrono- batterie-Zebra- azionamento adinverter e motore asincrono, trasmissione).
• Studio di ibridizzazione con sorgente primaria adIdrogeno.
• Simulatore e definizione logiche dicontrollo.
Fv0
FvM
I°
II°
III°
IV°
F motore diesel attuale
F resistente
F ibrido
V°
0 vvo vvM v
Ibridizzazione Automotrice Aln 668
Lay-out e ottimizzazione
|
componenti
T
a)
Tmr Vm
b)
Ùw Ùw2
ÙwM
|
400
300
200
100
0
Motor Speed -Distance
6000
4500
3000
1500
0
0 100 200 300 400 500
|
[s]
Ùm Ùr
Ù*=ÙmM/e*
ÙmM 51
Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2
• Affiancamento al tradizionale motore endotermico di unazionamento elettrico ad invertermotoreasincrono alimentato da batteria allitio
• Propulsione risultante Ibrida Parallela possibili le seguentimodalità:
1. Funzionamento in puro endotermico con pieneprestazioni
2. Funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero emissioni (vel. Max. 75 km/h autonomia 30 km ciclo ECEurbano)
3. Funzionamento ibrido parallelo (entrambi i motori attivi) con riduzione consumi ed emissioni e recupero di energia infrenatura operata anche inelettrico.
• Problematiche di dimensionamento – layout– controllo
Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2
Ciclo ECE
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Time [s]
Ciclo ECE
|
40
35
30
25
20
15
10
5
0
• Implementazione modello energetico per il dimensionamento dei componenti esimulazioni diverifica.
•Studio e progettazione della trasmissione meccanica per l’azionamento elettrico da integrare con il gruppo cambio-trasmissione esistente.
• Sistema di controllo e coordinamento del propulsore ibrido parallelo risultante egestione energetica dibordo.
• Modello dinamico completo per analisidei controllori.
• Attività sperimentali diverifica.
-5
-10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Time [s]
• Ottimizzazione dei componenti e delcontrollo.
CONCLUSIONI
• I veicoli ibridi ed elettrici possono contribuire ad una riduzione delle emissioni inquinanti ed ad un risparmio energetico e delle risorsedi idrocarburi.
• I veicoli Ibridi ad idrogeno sono sulla carta i migliori ma latecnologia ad oggi non è completamentematura.
• I veicoli elettrici ed ibridi invece sono realizzabili si daora.
• I veicoli elettrici (aventi emissioni nulle dove utilizzati) sonoottimali per tutti gli impieghi di bassa percorrenza e limitateprestazioni.
• I veicoli ibridi (serie, parallelo e bimodale) hanno le medesime prestazioni dei veicoli tradizionali ma con un migliore efficienzae diminuzione delleemissioni.
• Chi affronta la progettazione e lo studio di tali veicoli deve possedere una competenza trasversale di tutte letecnologie impiegate.
Le informazioni pubblicate in questa pagina sono gestite in completa autonomia da Umberto De Martinis il/la quale se ne assume ogni responsabilitá.