POLITECNICO DI MILANO
Dipartimento di Meccanica
I veicoli elettrici e ibridi
Dinamica e Controllo dei Veicoli
F. L. Mapelli
1
Contenuti
Politecnico di Milano
Dip. di Meccanica
Introduzione.
Veicoli Elettrici e Ibridi
Le Batterie per i veicoli elettrici e ibridi
L’utilizzo dell’idrogeno (fuel cell)
Gli azionamenti elettrici di trazione
Il controllo dei veicoli Elettrici/Ibridi
Ibridizzazione automotrice Ferroviaria
Aln668
Ibridizzazione Fiat Punto 1.2.
2
Introduzione
Le problematiche ambientali spingono per lo sviluppo di veicoli ad
emissioni ridotte o nulle, sia per l’ambito automobilistico che ferroviario.
Esistono le seguenti possibilità:
Veicoli elettrici
Veicoli ibridi (motore endotermico+elettrico)
Veicoli ibridi a idrogeno (fuel cell+motore elettrico)
Veicoli a combustione interna ad idrogeno.
La propulsione elettrica e ibrida (basata su motori endotermici ed elettrici)
appare come una soluzione attuabile per la riduzione delle emissioni.
L’utilizzo di un sistema ibrido basato su celle a combustibile ed accumulo
ad idrogeno appare come una via percorribile per ottenere in futuro veicoli.
Nei veicoli elettrici l’energia necessaria al moto è immagazzinata in un
accumulatore elettrochimico (batteria).
Nei veicoli ibridi esiste quindi una sorgente primaria di energia basata su di
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 alla propulsione.
3
Schema veicolo Propulsione Elettrica
Elementi del Power Train:
Controllo del moto
ed energetica
Batteria
• Batteria di Accumulatori e capacità (sorgente)
• DC/AC: Convertitore elettronico Inverter
• M 3f : Motore elettrico in corrente alternata
• Trasmissione a rapporto fisso.
DC
M
3
AC
Capacità
Controllo
Trazione
Meccanica
Elettrica
Controllo
4
Veicoli Elettrici
Vantaggi:
assenza cambio/frizione.
Recupero dell’energia in frenatura.
Elevata efficienza nella conversione energetica.
Zero emissioni all’utilizzo.
Svantaggi:
Limitata autonomia (120-150 km).
Limitate prestazioni (120 km/h vel. max.).
Tempi di ricarica (4-7 h)
Costi ancora elevati.
Prezzi abbordabili grazie agli eco-incentivi.
5
Esempio Auto Elettrica City Car
6
Schema veicolo Propulsione Ibrida
7
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
generatore elettrico.
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) Ibrido Serie ii) Ibrido
Parallelo iii) Ibrido Bimodale
Le due sorgenti hanno una energia nominale
immagazzinata e una potenza nominale.
I rapporti tra i valori di potenza e energia delle due
sorgenti definiscono i “gradi di ibridizzazione”
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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 di trazione.
Esistono due possibili sorgenti primarie:
* gruppo motore C.I.+generatore elettrico,
* cella a combustibile a idrogeno (fuel cell);
Il flusso energetico percorre in serie: sorgente primaria,
sorgente ausiliaria, azionamento elettrico
(inverter+motore), trasmissione, ruote.
Le sorgente ausiliaria è solitamente una o l’insieme delle
seguenti:
Accumulatore elettrochimico (batterie)
Capacità (condensatori E=1/2 CV2)
Volano con azionamento elettrico (E=1/2 Jω2)
9
Ibrido serie con motore C. I.
10
Ibrido serie con motore C. I.
Vantaggi
Nessun
legame fisico tra M.C.I. e ruote (assenza
frizione/cambio)
M.C.I di potenza ridotta
Lavora a velocità e carico pressoché costanti
Piene prestazioni in puro elettrico
Ottimo Controllo di coppia trazione/frenatura
Svantaggi
Componentistica elettrica dimensionata per la piena
potenza veicolo.
Presenza del Generatore elettrico dimensionato per
la piena potenza
Batterie molto ingombranti
11
Ibrido serie ad Idrogeno
12
Ibrido serie con Celle a Combustibile
(Idrogeno)
Vantaggi
Emissioni ridottissime (se l’idrogeno è usato
come combustibile).
Elevata efficienza complessiva.
Svantaggi (Attualmente)
Costi elevati.
Problemi di produzione/stoccaggio idrogeno.
Problematiche di sicurezza per l’idrogeno a
bordo.
Durata e Affidabilità
13
Propulsione Ibrida: Parallela
Controllo del moto
ed energetica
Motore
endotermico
Batteria
Cambio
DC
M
3
AC
Capacità
Controllo
Meccanica
Elettrica
Controllo
14
Ibrido parallelo
Vantaggi
Costi
in linea con le attuali automobili
Componenti elettrici (azionamento e batterie)
dimensionati non per la piena potenza
Svantaggi
Prestazioni con uno solo dei due motori attivi
ridotte.
Autonomia in puro elettrico ridotta.
15
Propulsione Bimodale: Parallela
Controllo del moto
ed energetica
Equipaggiamento di Serie
Vettura tradizionale
Motore
endotermico
Batteria
Cambio
DC
M
3
AC
Capacità
Controllo
Componenti aggiuntivi
(kit di ibridizzazione)
16
Veicolo Ibrido Bimodale Parallelo
Vantaggi
Si modifica una vettura di serie aggiungendo un azionamento
elettrico.
Possibilità di funzionare con motore endotermico a piene
prestazioni
Possibilità di funzionare con il solo motore elettrico con
prestazioni e autonomie ideali per utilizzo cittadino (vel-max 70
km/h autonomia 40 km)
Modalità di funzionamento miste molto interessanti (ricarica,
ibrido parallelo per riduzione consumi carburante ed emissioni)
Svantaggi
Costi trasformazione attualmente ancora elevati
Riduzione Vano Bagagliaio
Aumento dei pesi veicolo.
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Efficienza Energetica Veicoli
Confronto efficienza (dal combustibile fossile alla
ruota) su viaggio di 110 km.
Veicolo tradizionale M.C.I. η= 28 %
Veicolo elettrico η= 32% (energia elettrica
prodotta in centrale termoelettrica)
Veicolo ibrido (serie o parallelo) con produzione
energia elettrica a bordo η= 40,5%
Veicolo ibrido a fuel cell η= 43% (idrogeno )
18
Raffronto Tecnologie Veicoli Energetica/Ambientale
19
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 + +
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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): energia elettrica
accumulabile per unità di massa
POTENZA SPECIFICA ([W/kg]): potenza elettrica
accumulabile per unità di massa
Tensione Nominale: Valore della tensione che erogano
in pieno stato di carica.
Numero di cicli: numero di cicli di carica/scarica
completa che possono compiere prima di danneggiarsi e
dover essere sostituite
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Le batterie al piombo (Pb acido, Pb gel)
anodo di polvere di piombo (Pb)
catodo di diossido di piombo (PbO2)
Potenziale elettro-chimico 2,1 V
Vantaggi
Svantaggi
• correnti molto elevate
• bassa energia specifica
• affidabile
• lunga vita
• contiene piombo (problema
parzialmente risolto con le Piombo gel)
• costi contenuti
• pesi e ingombri elevati
ANODO Pb + HSO4- -> PbSO4 + H+ + 2eCATODO PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O
Reazione completa PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O
22
Le batterie al nickel (NiCd, NiMH, NiZn)
anodo leghe metalliche al nickel
catodo di nickel
Potenziale elettro-chimico 1,4 V
Vantaggi
Svantaggi
• elevata energia specifica
• basso numero di cicli
• elevata potenza specifica
• necessità di una fase iniziale di rodaggio
•Costi
Nichel Cadmio: 2 NiO(OH) + Cd + 2 H2O ↔ 2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Nichel Idruri Metallici:
Anodo: MH + OH- -> M + H2O + eCatodo: NiO(OH) + H2O + e- -> NiO(OH) 2 + OHReazione completa MH + NiO(OH) -> M + Ni(OH)2
23
Le batterie agli ioni di litio (Li-ion)
Anodo: atomi di litio “immersi” in strati di grafite
Catodo: il catodo è un sale (solitamente LiMn O )
Potenziale elettro-chimico 3,7 V
2
Reazione Anodica
4
Reazione Catodica
Vantaggi
Svantaggi
• elevata energia specifica
• costo ancora elevato
• elevata potenza specifica
• prestazioni variabili a seconda
della qualità delle materie prime
• nessun effetto memoria
24
Le batterie ZEBRA (Ni-NaCl)
Elementi costitutivi: celle sodio-nickel
Funzionano a temperatura di 280°C con
elettrolita fuso a clururo di sodio
Reazione Completa:
Scarica
2Na + NiCl2
2NaCl + Ni
Carica
Vantaggi
Svantaggi
• elevata energia specifica
• funziona a temperatura elevate
(300 °C)
• nessun elemento tossico (sale!)
• si auto scarica in 8-10 giorni
25
Confronto Potenza Energia
Specifica Batterie
26
Tabella ConfrontoBatterie
Zebra
80-190 Wh/kg
2.4
300
2-5 h
100 %
2.8 V
• Le tecnologie attualmente utilizzabili e promettenti per i veicoli sono le batterie
al litio, le batterie Zebra e le NiMH.
• Le batterie al Piomborimangono una tecnologia economica per i veicoli
senza prestazioni stringenti
27
Idrogeno: Cella a combustibile
+
i
-
H+
H+
H+
H+
L’idrogeno può essere stoccato a bordo
oppure ricavato da un idrocarburo
(metanolo stoccato a bordo) tramite un
processo di reforming.
• L’anodo è alimentato con
idrogeno (H2).
• Il catodo con ossigeno o aria.
• All’anodo il catalizzatore
trasforma H2 in H+.
• Gli elettroni migrano al catodo
attraverso il circuito elettrico
producendo corrente elettrica.
• Gli ioni H+ migrano al catodo
attraverso la membrana.
• Al catodo avviene la reazione che
combinando O2 H+ ed e- produce
acqua.
28
Veicolo a Idrogeno (fuel cell)
29
Tipologie di celle
a Combustibile
30
Reforming dell’Idrogeno
A partire dal metano si può ottenere idrogeno
CH 4 + H 2 0 = CO + 3H 2 + 205,1kJ
1
CH 4 + O 2 = CO + 2H 2 − 37, 7 kJ
2
Vantaggi:
* Stoccaggio a bordo veicolo di un idrocarburo (meno pericoloso dell’idrogeno)
* Non vi è necessità di riconvertire le stazioni di rifornimento
Svantaggi:
* Presenza anche del reforming a bordo
* Emissioni di CO2 (molto minore dell’equivalente a C.I.)
Oppure usare Direct Methanol Fuel Cell
(fuel cell che usano direttamente metanolo)
31
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 agli utenti
* Metodologie per produrlo.
* Durata e affidabilità delle celle (ora siamo a
3000 ore)
32
Gli Azionamenti Elettrici per i
Veicoli Elettrici e Ibridi
I motori elettrici più usati sono:
Convertitore:
Motori in CC a Magneti permanenti o Ecc. Sparata (piccoli veicoli)
Motori Brushless veicoli ibridi paralleli
Motori Asincroni veicoli elettrici di medie grosse dimensioni (ibridi serie)
Chopper per i motori in C.C.
Inverter per Motori Brushless e asincrono
Controlli:
Controllo Vettoriale (la coppia è controllata attraverso la corrente)
Controlli Diretti di Coppia
Tecnologia Digitale Digital Signal Processor (firmware)
33
Il motore asincrono
Rotore
Avvolgimento e pacco statorico
Carcassa statorica
con raffreddamento
ad acqua
Il motore asincrono è costituito
da uno statore con avvolgimento
trifase e da un rotore con un avvolgimento
trifase a barre poste in contro circuito.
34
Rotore a Gabbia
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.
G
ira
irb
irc
a)
b)
a)Collegamento avvolgimenti rotorici b) realizzazione avv. rotorici mediante gabbia
35
Risoluzione circuito semplificato
36
Coppia e Potenza (relazioni
semplificate)
Le relazioni seguenti danno la coppia e la corrente in funzione
di:
• velocità di sincronismo (frequenza di alimentazione)
• Tensione V (concatenata)
• Velocità di rotazione meccanica (attraverso lo scorrimento
s=(ωo-ω)/ωo)
Pm
37
Caratteristiche: Corrente, Coppia,
Potenza in funz. velocità
s=1
ω=0
s=0
ω=ω0
38
Funzionamento sui 4 quadranti
• La coppia diventa negativa (generatore quindi frena) se s<0
• Per cambiare il senso di rotazione si cambia il senso ciclico delle fasi
39
Caratteristiche variazione di
Tensione e di frequenza
La coppia dipende da s. All’aumentare dello scorrimento aumenta la coppia
40
Se s è negativo anche la coppia è negativa.
Politecnico di Milano
Dip. di Meccanica
L’inverter per la Trazione
•Inverter 3-fase
a IGBT
L’inverter è in grado di
Variare tensione e
frequenza in uscita con
Il metodo PWM o con
Il metodo a 6 gradino
•Sorgente di Alimentazione
(batteria, generatore fuel cell)
e filtro.
•Motore asincrono
•Gear Box
41
Regolazione a Frequenza e Tensione
variabili con Inverter
C
42
Curve Coppia Massima e Nominale
Coppia Massima
Coppia Nominale
43
Macchina asincrona: Circuito per il controllo
vettoriale
Circuito Equivalente a Regime
• Si utilizza un altro circuito semplificato
• La potenza erogata è uguale a quella
dissipata sulla resistenza fittizia Rr/s
R
L ks
Rs
Is
Vs
I
E
I s = I sd + jI sq
Id è legata al flusso Ψr
Iq è legata alla coppia
q
Pt=CΩo=3EIq
q
jωLks Is
Diagramma dei
Fasori
R s Is
C = nψ r ⋅ I s cos γ = nM ⋅ I d ⋅ I q = K( I d )I q
s
M
Id
d
• E’ come il motore in CC a ecc. indip.
• Ci sono due correnti (le componenti del
fasore) una che regola il flusso e l’altra
la coppia.
r
Vs
E = jωψ r
γ
Is
I
q
ψr
Id
θs
d
ℜ sa ≡
αs
44
M. Asincrona: Schema di massima del controllo
V
Vettoriale GS..
ddc
va
PWM
INVERTER
vb
S
M
vc
vsabc
,,,
rif
ϑ
−
vd
Trif
ia ib
T 1 (ϑ)
ic
ϑ
T (ϑ)
vq
id
Regolatore
iq
MCC
...
equivalente
ϑ
d
dt
•Il controllo viene effettuato sulle componenti dei fasori cioè controllando una sorta di
“Macchina in C.C. equivalente” virtuale;
•Le componenti id, iq si ottengono dalle misure di ia,ib e ic e dalla trasformazione T(θ);
•Le tensioni da applicare alla macchina va,b,c rif si ottengono dalle componenti vd,q
attraverso la trasformazione inversa T-1(θ) ;
•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 le tensioni
45
necessarie al controllo
Componenti dell’azionamento Elettrico
Componenti Fondamentali:
* sorgente di alimentazione
* convertitore elettronico di potenza
* motore elettrico
* controllo
Componenti Ausiliari
* impianto di raffreddamento motore
* impianto di raffreddamento convertitore
* sensori (elettrici meccanici termici)
* 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 che corrisponde
all’inviluppo della caratterista di un cambio manuale + MCI.
• La coppia nominale (forza di trazione) alla velocità massima corrisponde alla
resistenza all’avanzamento a tale velocità.
F v0
F prodotta da un M.C.I.
F resistente alla avanzamento
(pianura)
F Azionamento Elettrico (Max)
F Azionamento Elettrico (Nom)
I°
II°
III°
IV°
F vM
V°
v
0
v vo
v vM
47
Il controllo nei veicoli Elet./Ibridi
Controllo di trazione az. Elettrico
Controllo motore C.I.
Controllo sistemi di accumulo energetico
(batterie-generatore, fuel cell, ricarica in moto,
recupero in frenatura etc. etc.).
Controllo del moto e dinamica del veicolo
Interfacciamento e gestione modalità di
funzionamento veicolo
Interfacciamento con dispositivi di controllo
veicolo (ABS, ESP, EPS, Strumentazione)
Rete di comunicazione veicolare CAN
(Controller Area Network)
48
La progettazione Integrata
Analisi prestazioni e servizio veicolo.
Modello energetico e dimensionamento componenti
sistema propulsione.
Analisi Consumi ed Emissioni inquinanti.
Progettazione componenti e layout.
Modello/i dinamico completo studio sistema di
controllo e stabilità (moto, energetica, conversione
elettronica, azionamento elettrico, trasmissione
/cambio, stabilità e dinamica veicolo).
Attività sperimentali.
49
Ibridizzazione Automotrice Diesel
ferroviaria Aln 668
• Sostituzione dell’attuale propulsore diesel con un sistema ibrido serie
(motore diesel-generatore sincrono- batterie-Zebra- azionamento ad inverter
e motore asincrono, trasmissione ).
• Studio di ibridizzazione con sorgente primaria ad Idrogeno.
• Simulatore e definizione logiche di controllo.
Fv0
F motore diesel attuale
F resistente
F ibrido
I°
II°
III°
IV°
FvM
V°
0
vvo
vvM
v
50
Ibridizzazione Automotrice Aln 668
Scelta caratteristica
di trazione azionamento
Lay-out e ottimizzazione
componenti
Tm
Fv
M
Fv0
Ωm
FvM
vv
vv0
I 'r
vv2
vvM
a) Trasmissione
con cambio a
2 rapporti
b) trasm. rapporto
fisso
I*r
Vr
Tˆrm
K2
a)
• Dimensionamento componenti
Ωw
Ωw2
^
Ωw
Tˆ
• Controllo e gestione moto ed energia
ΩwM
Motor Speed - Distance
Vr
TM
Iˆ
[rad/sec]
Tmr
• Simulatore di veicolo
400
6000
300
4500
200
3000
100
1500
[ ]
K1
Pm
Ir
Vm
b)
0
0
100
200
300
400
0
500
[s]
Ω
Ωm
Ωr
Ω*=ΩmM/e*m
ΩmM
51
Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2
•
Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un azionamento
elettrico ad inverter motore asincrono alimentato da batteria al litio
•
Propulsione risultante Ibrida Parallela possibili le seguenti modalità:
1. Funzionamento in puro endotermico con piene prestazioni
2. Funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero
emissioni (vel. Max. 75 km/h autonomia 30 km ciclo ECE urbano)
3. Funzionamento ibrido parallelo (entrambi i motori attivi) con
riduzione consumi ed emissioni e recupero di energia in frenatura
operata anche in elettrico.
• Problematiche di
dimensionamento – layout –
controllo
52
Ibridizzazione Fiat Grande Punto 1.2
Ciclo ECE
• Implementazione modello energetico per il
dimensionamento dei componenti e simulazioni
di verifica.
55
Riferimento
Effettiva
50
45
Velocità [km/h]
40
35
30
•Studio e progettazione della trasmissione
meccanica per l’azionamento elettrico da
integrare con il gruppo cambio-trasmissione
esistente.
25
20
15
10
5
0
0
20
40
60
80
100
120
Time [s]
140
160
180
200
• Sistema di controllo e coordinamento del
propulsore ibrido parallelo risultante e gestione
energetica di bordo.
Ciclo ECE
40
Potenza erogata dalle batterie [kW]
35
Pmax = 29.2 Kw
30
25
Pmax = 26.2 Kw
• Modello dinamico completo per analisi dei
controllori.
20
15
10
• Attività sperimentali di verifica.
5
0
Senza aux
Con aux
-5
-10
0
20
40
• Ottimizzazione dei componenti e del controllo.
60
80
100
120
Time [s]
140
160
180
200
53
Conclusioni
Politecnico di Milano
Dip. di Meccanica
I veicoli ibridi ed elettrici possono contribuire ad una riduzione delle
emissioni inquinanti ed ad un risparmio energetico e delle risorse di
idrocarburi.
I veicoli Ibridi ad idrogeno sono sulla carta i migliori ma la tecnologia
ad oggi non è completamente matura.
I veicoli elettrici ed ibridi invece sono realizzabili si da ora.
I veicoli elettrici (aventi emissioni nulle dove utilizzati) sono ottimali
per tutti gli impieghi di bassa percorrenza e limitate prestazioni.
I veicoli ibridi (serie, parallelo e bimodale) hanno le medesime
prestazioni dei veicoli tradizionali ma con un migliore efficienza e
diminuzione delle emissioni.
Chi affronta la progettazione e lo studio di tali veicoli deve
possedere una competenza trasversale di tutte le tecnologie
impiegate.
54
