Umberto De Martinis

Anno Accademico 2020/2021:

SISTEMI ELETTRICI DI TRASPORTO

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.

	Capacità
			Controllo Trazione

Schema veicolo Propulsione Elettrica

Elementi del Power Train:

•  

Batteria di Accumulatori e capacità(sorgente)

•   DC/AC: Convertitore elettronicoInverter

•   M 3f : Motore elettrico in correntealternata

•  

Trasmissione a rapportofisso.

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

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)

Ibrido serie con motore C. I.

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

Ibrido serie ad Idrogeno

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

Propulsione Ibrida: Parallela

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)

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

•  

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

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

Tabella ConfrontoBatterie

•     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

Idrogeno: Cella a combustibile

Veicolo a Idrogeno (fuel cell)

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

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.

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)

Caratteristiche: Corrente, Coppia, Potenza in funz. velocità

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

Caratteristiche variazione di

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

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.