Veicoli Elettrici Ibridi - Dipartimento di Ingegneria Industriale

Università degli Studi di Padova
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
EDLab Report 2009.01.HEV
Veicoli Elettrici Ibridi
19 Gennaio 2009
Veicoli Ibridi
—– p. 2—–
Mobilità sostenibile
Veicoli Elettrici Ibridi
Autori:
ing. Andrea Compri
Contributo di:
ing. Massimo Barcaro ([email protected])
Visto da:
prof. Nicola Bianchi ([email protected])
prof. Silverio Bolognani ([email protected])
Data:
19 Gennaio 2009
—– p. 3—–
Veicoli Ibridi
—– p. 4—–
Indice
1 Introduzione
1.1 Cosa sono i veicoli ibridi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Caratteristiche del sistema di trazione . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Concetti base di un veicolo ibrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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I
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Teoria
2 Tipologie
2.1 Introduzione . . . . . .
2.2 Ibrido Serie . . . . . .
2.3 Ibrido Parallelo . . . .
2.4 Ibrido Serie - Parallelo
2.5 Ibrido Complesso . . .
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3 Veicolo Ibrido Serie
3.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Sistemi di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Massimo stato di carica della sorgente di picco . . . . . . . .
3.3.2 Strategia di controllo del motore a combustione interna . . .
3.4 Dimensionamento dei maggiori componenti . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Dimensionamento del motore elettrico di trazione . . . . . . .
3.4.2 Dimensionamento del gruppo motore - generatore . . . . . .
3.4.3 Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS )
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4 Veicolo Ibrido Parallelo
4.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Sistemi di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Massimo stato di carica della sorgente di picco . . . . . . . .
4.3.2 Strategia di controllo del motore a combustione interna . . .
4.4 Dimensionamento dei maggiori componenti . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Dimensionamento del motore a combustione interna . . . . .
4.4.2 Dimensionamento del motore elettrico . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS )
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Veicoli Ibridi
5 Veicolo Ibrido Leggero
5.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1 Consumi energetici . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Veicolo Ibrido Parallelo Leggero . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Modalità di funzionamento e strategia di controllo
5.2.3 Dimensionamento del sistema di trazione . . . . .
5.3 Veicolo Ibrido Serie - Parallelo Leggero . . . . . . . . . . .
5.3.1 Configurazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 Modalità di funzionamento . . . . . . . . . . . . .
5.3.3 Strategia di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . .
6 Sistemi di accumulo
6.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Combinazione di diversi sistemi di accumulo .
6.2 Batterie chimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 Supercondesatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Comportamento di un supercondensatore . .
6.3.2 Tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Volano ultraveloce . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1 Principi di base di un volano ultraveloce . . .
6.4.2 Potenza di un volano ultraveloce . . . . . . .
6.4.3 Tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Celle a combustibile . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Caratteristiche generali e produzione . . . . .
6.5.2 Applicazioni Veicolari . . . . . . . . . . . . .
II
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Soluzioni Commerciali
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7 Veicoli Commerciali
7.1 Evoluzione del mercato . . . . . . . . . . .
7.2 Modelli Commerciali . . . . . . . . . . . .
7.2.1 Toyota Prius ( 2005 ) . . . . . . . .
7.2.2 Toyota Highlander . . . . . . . . .
7.2.3 Honda Civic . . . . . . . . . . . .
7.2.4 Honda Accord . . . . . . . . . . .
7.2.5 Ford Escape 2004 . . . . . . . . . .
7.2.6 Gruppo PSA . . . . . . . . . . . .
7.2.7 Eaton Hybrid System . . . . . . .
7.2.8 Hino 4T Ranger HEV 2004 . . . .
7.2.9 Nissan Condor 2003 . . . . . . . .
7.2.10 Allison Hybrid Powertrain System
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Mobilità sostenibile
III
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Bibliografia
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Capitolo 1
Introduzione
1.1
Cosa sono i veicoli ibridi
Le automobili, i veicoli industriali e i mezzi di trasporto leggero che circolano sulle
nostre strade e che coprono oggigiorno la maggioranza dell’intero parco veicoli, si
avvalgono di motori a combustione interna per garantire la propulsione.
Tali mezzi di trasporto sono ritenuti fra i maggiori responsabili dello stato di inquinamento delle grandi città poichè, durante il loro funzionamento, immettono
nell’atmosfera gas di scarico contenenti elementi altamente inquinanti quali ossido
di carbonio ( CO ), anidride carbonica ( CO2 ), ossidi di azoto ( N Ox ), una grande
varietà di idrocarburi ( HC ) e il pericoloso particolato ossia quell’insieme di particelle solide portate in sospensione dai gas e derivante dall’ossidazione incompleta
del combustibile, dai composti metallici e dagli additivi in esso presenti; inoltre, per
il combustibile con cui sono alimentati, i tradizionali motori a combustione interna
contribuiscono all’esaurimento delle riserve primarie di energia, sfruttate in modo
massiccio e irrazionale dall’inizio dell’era industriale.
Per tentare di ridurre l’impatto ambientale legato all’uso dei veicoli tradizionali sono
stati posti, negli ultimi anni, limiti sempre più stringenti ai quantitativi di inquinanti
emessi e parallelamente sono state studiate e portate in fase avanzata di sperimentazione numerose tecnologie basate su sistemi di propulsione non convenzionali: fra
questi gli ibridi.
Per definizione un veicolo ibrido è un veicolo in cui l’energia per la propulsione può
provenire da due o più sorgenti diverse; se almeno una delle sorgenti di energia è in
grado di fornire energia elettrica si parla di ibrido elettrico e si utilizza l’acronimo
HEV ( Hybrid Electric Vehicle ).
La definizione appena data è molto generale, di conseguenza le possibili combinazioni
di sistemi di generazione e di sistemi di accumulo a bordo dei veicoli sono molteplici: ad esempio possiamo avere HEVs in cui la propulsione è garantita da due o
più batterie, una batteria e un condensatore, celle a idrogeno e batterie, volani e
batterie, un motore a combustione interna e un motore elettrico. In letteratura,
per evitare di confondersi, è invalsa da tempo la tradizione di riservare l’appellativo
ibrido elettrico a tutti i veicoli in cui il sistema propulsivo è caratterizzato dalla
presenza di un motore a combustione interna e di un motore elettrico ( deve essere
presente ovviamente anche un sistema di accumulo ).
1
Veicoli Ibridi
Realizzando un sistema di propulsione ibrido è possibile gestire le diverse sorgenti
di energia a bordo del veicolo in modo da sfruttare i vantaggi derivanti dalle loro
possibili combinazioni e limitare i difetti che le caratterizzano se utilizzate separatamente. Questa particolarità rende gli ibridi in grado di sopperire alle principali
caratteristiche negative dei mezzi dotati di motori a combustione interna e di candidarsi come mezzi alternativi in grado di soddisfare le aspettative del pubblico in
termini di facilità di guida e prestazioni, in attesa che lo sviluppo di nuovi sistemi
di accumulo renda possibile la diffusione di massa di veicoli puramente elettrici a
bassissimo impatto ambientale, noti anche come ZEVs ( Zero Emission Vehicles ) il
cui difetto principale è attualmente rappresentano dalla limitata autonomia ( distanza percorribile tra una ricarica e la successiva ).
In generale, il sistema di propulsione di un mezzo di trasporto tradizionale deve
essere in grado di erogare potenza in un ampio campo di valori, anche se di fatto alcuni di essi vengono raggiunti raramente e per brevissimi periodi temporali. Questo
ampio range di potenze, oltre a richiedere un dimensionamento specifico per il sistema di propulsione, comporta che il motore a combustione interna sia chiamato a
funzionare lontano dalla regione di massima efficienza e ciò si ripercuote negativamente sui consumi di carburante. A pesare drasticamente sull’efficienza dei veicoli
tradizionali si aggiungono l’impossibilità di recuperare energia durante la frenatura
e la stretta dipendenza delle emissioni inquinanti dalla dinamica di funzionamento; queste ultime infatti aumentano considerevolmente se le condizioni di esercizio
variano bruscamente, come succede ad esempio nei centri urbani, mentre risultano
limitate a regime di rotazione e potenza erogata costanti.
Con un sistema di propulsione ibrida è possibile livellare il profilo della potenza
erogata dal motore termico, facendo produrre a questo ultimo una sorta di valor
medio della potenza richiesta e predisponendo un adeguato sistema di accumulo per
fornire la potenza mancante nei periodi di maggiore richiesta ( accelerazioni, tratti
a velocità elevate, lunghe salite ) e immagazzinare quella in esubero nelle condizioni
di richiesta minore ( frenatura, fermate, basse velocità ); un ulteriore vantaggio è
rappresentato dalla possibilità di marciare, con prestazioni limitate, in modalità puramente elettrica ossia con il motore termico spento nei centri urbani o in tutte
quelle zone interdette al traffico dei mezzi tradizionali, aspetto da non sottovalutare
visto che il numero di queste aree sta crescendo progressivamente, specie nelle grandi
città.
Il ricorso agli HEVs ha inoltre il pregio di preservare lo status quo, ossia se il combustibile scelto per alimentare il motore a combustione interna è ancora la benzina,
nessuna modifica o al più un numero limitato di cambiamenti dovrà essere apportato alle infrastrutture dedicate alla distribuzione del materiale utilizzato per la
propulsione ( comuni prese elettriche ed esistenti distributori di benzina )
1.2
Caratteristiche del sistema di trazione
Nelle applicazioni automobilistiche, la caratteristica ideale, figura 1.1, per un gruppo
motore è quella di avere una coppia con andamento iperbolico e una potenza in uscita
costante per un ampio valore di velocità. La caratteristica ideale può essere suddivisa
in due zone differenti: la prima zona presenta una potenza in uscita con andamento
lineare mentre la coppia meccanica rimane costante per non oltrepassare il limite di
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Mobilità sostenibile
adesione tra pneumatico e terreno; la seconda zona presenta una potenza meccanica
in uscita costante e una coppia con andamento iperbolico decrescente.
Figura 1.1: Caratteristica ideale della coppia e della potenza in un veicolo
automobilistico.
Sia il motore a combustione interna, figura 1.2, sia il motore elettrico, figura 1.3,
sono in grado di soddisfare le esigenze di trazione del veicolo.
Figura 1.2: Caratteristica della coppia e della potenza in un motore a
combustione interna.
Figura 1.3: Caratteristica della coppia e della potenza in un motore
elettrico.
Il motore a combustione interna presenta una caratteristica coppia-potenza lontano
da quella ideale e inoltre il suo funzionamento inizia con un numero di giri diverso
da zero, con consumo di energia ed emissioni atmosferiche di gas nocivi; il minimo
consumo di combustibile e coppia massima si hanno per valori intermedi di velocità.
Un aumento di velocità comporta una diminuzione di coppia e aumento del consumo
di combustibile mentre la potenza in uscita aumenta fino a raggiungere il suo valore
massimo oltrepassato il quale inizia a diminuire lentamente mentre la coppia subisce
una diminuzione più rapida. Nelle applicazioni automobilistiche, la velocità massima
permessa ad un motore a combustione interna si trova appena prima del valore per
cui si ottiene la potenza è massima. Il motore a combustione interna presenta un
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Veicoli Ibridi
profilo coppia-potenza, nella zona di lavoro, quasi piatto rispetto a quello ideale,
figura 1.2, è quindi indispensabile inserire un meccanismo di cambio per poterlo
modificare.
I motori elettrici invece presentano una caratteristica coppia-potenza molto simile
a quella ideale, come mostrato in figura 1.3. Aumentando la velocità verso il suo
valore base, con tale valore si intende quella velocità che separa le zone 1 e 2, la
tensione di alimentazione cresce rapidamente mentre il flusso di induzione rimane
costante in questo modo si ottiene una coppia costante e una potenza che cresce
linearmente. Oltrepassata la velocità di base la tensione rimane costante mentre
il flusso di induzione diminuisce, questo comporta che mentre la potenza in uscita
rimane costante la coppia segue un andamento iperbolico.
1.3
Concetti base di un veicolo ibrido
Fondamentalmente ad ogni sistema di trazione è richiesto di essere in grado di sviluppare potenza sufficiente per far fronte alle richieste del veicolo, di trasportare energia
sufficiente per soddisfare le esigenze di guida, di essere altamente efficiente e avere un
basso impatto ambientale per quanto riguarda le emissioni atmosferiche. Un veicolo
ibrido può assumere diverse configurazioni con l’intento di riuscire a recuperare parte
dell’energia cinetica durante la frenata che nei normali veicoli è dissipata sottoforma
di calore; pertanto oltre ad una normale conversione unidirezionale di energia ne
è prevista anche una bidirezionale. La figura 1.5 mostra l’andamento dei flussi di
potenza di un veicolo ibrido e tutti i possibili percorsi della potenza.
La potenza, che un veicolo assorbe, figura 1.4, varia in maniera del tutto casuale
durante le operazioni di guida e ciò è dovuto alle frequenti accelerazioni e frenate.
È possibile però scomporre la potenza assorbita in due differenti componenti: una
costante e l’altra dinamica con valor medio nullo. La strategia, che sta alla base di
un veicolo ibrido, consiste nel fornire la potenza costante per mezzo di un motore a
combustione interna mentre la potenza dinamica da un motore elettrico; in questo
modo è possibile recuperare l’energia che viene prodotta in eccesso e far funzionare
il motore a combustione interna nella zona di massimo rendimento.
Figura 1.4: Andamento della potenza assorbita dal veicolo.
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Mobilità sostenibile
Figura 1.5: Andamento dei flussi di potenza.
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Veicoli Ibridi
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Parte I
Teoria
7
Capitolo 2
Tipologie
2.1
Introduzione
Come proposto dal Technical Committee 69 ( Electic Road Vehicle ) dell’Itnternational Electrotechnical Commission, un veicolo elettrico ibrido è un veicolo nel
quale l’energia necessaria per la sua propulsione è fornita da almeno due diversi tipi
di energia e almeno da una può essere prelevata.
Le fonti energetiche che un veicolo ibrido può utilizzare possono essere:
• Carburante liquido ( Benzina, Diesel )
• Carburante gassoso ( Metano, Gpl )
• Chimica delle batterie
• Celle a combustibile
• Elettrica del supercondensatore
• Meccanica del volano
• Solare
Un sistema elettrico ibrido deve includere, oltre ad un motore a combustione interna,
almeno un motore elettrico. Esiste pertanto tutta una serie di combinazioni tra i vari
componenti tale da generare un numero elevato di possibili soluzioni; i vari modelli
con la descrizione del loro funzionamento vengono esaminati nei seguenti paragrafi.
2.2
Ibrido Serie
Il sistema ibrido serie, figura 2.1, non presenta alcuna connessione meccanica tra il
motore a combustione interna e le ruote motrici. L’energia fornita dalla combustione del carburante e, convertita in energia meccanica nel motore a combustione
interna, viene successivamente trasformata in energia elettrica per mezzo del generatore elettrico. Con l’ausilio dell’elettronica di potenza l’energia elettrica fornita
dal generatore viene immagazzinata in energia chimica nelle batterie e successivamente riconvertita in elettrica per poter alimentare il motore elettrico dimensionato
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Veicoli Ibridi
in modo tale da fornire tutta l’energia meccanica per la trazione del veicolo. Nei
vari passaggi, tra un apparato e l’altro, l’energia passa per ben due volte attraverso
l’elettronica di potenza, le continue conversioni causano una significativa riduzione
del rendimento del sistema. Le varie fasi del funzionamento di un veicolo ibrido serie
possono essere schematizzate in figura 2.2.
Figura 2.1: Schema di un veicolo ibrido serie.
( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1:
motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio. )
Figura 2.2: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie.
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Mobilità sostenibile
Durante la partenza, l’accelerazione e una guida normale sia le batterie sia il motore a combustione interna, per mezzo del generatore, forniscono energia elettrica al
convertitore di potenza; il convertitore di potenza alimenta, in corrente alternata,
il motore elettrico che, attraverso gli organi di trasmissione, fornisce potenza meccanica alle ruote motrici, figura 2.2.a. Durante il funzionamento con bassi carichi,
l’energia prodotta dal motore a combustione interna risulta essere maggiore rispetto all’energia richiesta dal veicolo cosı̀ parte dell’energia in eccesso viene utilizzata
per ricaricare le batterie fino a quando raggiungono lo stato di carica massima, figura 2.2.b. Durante la frenata o decelerazione il motore elettrico agisce come generatore
trasformando parte dell’energia cinetica, posseduta dal veicolo, in energia elettrica
caricando quindi le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.2.c. Le
batterie inoltre possono essere ricaricate dal motore a combustione interna, per mezzo del generatore e del convertitore di potenza, anche quando il veicolo risulta fermo,
figura 2.2.d.
2.3
Ibrido Parallelo
Nel sistema ibrido parallelo, figura 2.3, il motore a combustione interna è meccanicamente collegato, per mezzo di una scatola del cambio, al motore elettrico. Il punto
di lavoro del motore a combustione interna può essere modificato facilmente con
l’ausilio delle macchine elettriche; per esempio la velocità del motore a combustione
interna può essere modificata con la scatola del cambio mentre la coppia per mezzo
del motore elettrico. Le varie fasi del funzionamento di un veicolo ibrido parallelo
possono essere schematizzate in figura 2.4. Durante la partenza o forte accelerazione
sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico forniscono la potenza necessaria per muovere il veicolo; tipicamente la distribuzione di potenza tra il motore
a combustione interna e motore elettrico è del 80% per il motore a combustione e
del 20% per quello elettrico, figura 2.4.a.
Figura 2.3: Schema di un veicolo ibrido parallelo.
( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1:
motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio, Gearbox 2: scatola del cambio. )
Durante il normale funzionamento solo il motore a combustione interna fornisce al
veicolo tutta la potenza necessaria per il suo movimento mentre il motore elettrico
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Veicoli Ibridi
rimane spento, figura 2.4.b. Durante la fase di decelerazione o di frenata il motore
elettrico funziona come generatore e ricarica le batterie per mezzo del convertitore
di potenza, figura 2.4.c. Durante la fase di guida le batterie possono essere ricaricate
attraverso il sistema di trasmissione o nel caso di sosta per mezzo di un generatore
ausiliario figura 2.4.d.
Figura 2.4: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido parallelo.
2.4
Ibrido Serie - Parallelo
Il sistema ibrido serie - parallelo unisce le caratteristiche del modello ibrido serie
con quelle del modello parallelo per far ciò deve essere aggiunta, tra il Gearbox 2 e
l’Electrical Mach. 1, una frizione questo comporta notevoli svantaggi come l’elevato
costo e la notevole complessità.
Possono essere identificati due diversi gruppi di funzionamento che sono: ICEHeavy e l’Electric-Heavy, nel primo l’azione preponderante è effettuata dal motore a combustione interna mentre nel secondo è preponderante è quella del motore
elettrico.
In un sistema ibrido serie - parallelo nella condizione ICE-Heavy sono previste ben
sei differenti modalità di funzionamento, figura 2.6.
Alla partenza la batteria provvede da sola alla potenza necessaria per il movimento
del veicolo mentre il motore a combustione interna rimane spento, figura 2.6.a.
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Mobilità sostenibile
Figura 2.5: Schema di un veicolo ibrido serie - parallelo.
( Fuel: carburante, ICE: motore a combustione interna, Electrical mach. 2: generatore, Power electric: elettronica di potenza, Battery: batteria, Electrical mach 1:
motore elettrico, Gearbox 1: scatola del cambio, Gearbox 2: scatola del cambio,
Clutch: frizione. )
Per forti accelerazioni sia il motore a combustione interna sia le batterie, per mezzo
del motore elettrico, forniscono, in maniera proporzionale, la potenza necessaria per
il funzionamento del veicolo, figura 2.6.b. Durante la guida normale il motore a
combustione interna provvede a tutta la potenza necessaria per far muovere il veicolo mentre il motore elettrico rimane spento, figura 2.6.c. Durante la frenata o
la decelerazione il motore elettrico funziona come generatore e ricarica le batterie
con l’ausilio del convertitore di potenza, figura 2.6.d. Per ricaricare le batterie esistono due differenti modalità: nella prima, che avviene durante la guida, il motore
a combustione interna non solo eroga l’energia necessaria per muovere il veicolo ma
fornisce anche l’energia per ricaricare le batterie, figura 2.6.e; nella seconda modalità
invece il veicolo è completamente fermo pertanto tutta l’energia fornita dal motore
a combustione interna serve ad alimentare il generatore che carica le batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.6.f.
In un sistema ibrido serie - parallelo durante il funzionamento nella condizione
Electric-Heavy, figura 2.7, sono previste ben sei differenti modalità di funzionamento.
Alla partenza e con guida a basso carico le batterie provvedono, da sole, a fornire
tutta la potenza necessaria per muovere il veicolo mentre il motore a combustione
interna rimane spento, figura 2.7.a. Per forti accelerazioni e guida normale sia il
motore a combustione interna che le batterie, attraverso il motore elettrico, forniscono l’energia necessaria per far muovere il veicolo, figura 2.7.b e figura 2.7.c. La
differenza tra le due modalità di funzionamento è il contributo, nella fase di guida
normale, del motore elettrico nella modalità Electric-Heavy. Durante le frenate o la
decelerazione il motore elettrico funziona come generatore e permette di ricaricare le
batterie attraverso il convertitore di potenza, figura 2.7.d. Per ricaricare le batterie
esistono due differenti modalità: nella prima, che avviene durante la guida, il motore
a combustione interna non solo eroga l’energia necessaria per far muovere il veicolo ma fornisce anche l’energia per ricaricare le batterie, figura 2.6.e; nella seconda
modalità invece il veicolo è completamente fermo pertanto tutta l’energia fornita dal
motore a combustione interna serve ad alimentare il generatore che carica le batterie
attraverso il convertitore di potenza, figura 2.6.f.
—– p. 13—–
Veicoli Ibridi
Figura 2.6: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie - parallelo nella modalità
ICE-Heavy.
—– p. 14—–
Mobilità sostenibile
Figura 2.7: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido serie - parallelo nella modalità
Electric-Heavy.
—– p. 15—–
Veicoli Ibridi
2.5
Ibrido Complesso
Il controllo in un ibrido complesso, si sviluppa sulla possibilità di avere due assi
motrici tra loro meccanicamente separati cosı̀ da ottenere un sistema di propulsione
leggero e aumentarne la flessibilità nell’assemblaggio. Comunque la frenata rigenerativa può essere effettuata su tutte e quattro le ruote in modo tale da aumentare
l’efficienza complessiva.
Figura 2.8: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido complesso ( ibrido anteriore,
elettrico posteriore.
La figura 2.8 mostra un sistema ibrido complesso a due assi dove l’asse delle ruote
anteriori è mosso da un sistema ibrido mentre l’asse delle ruote posteriori è mosso
da un motore elettrico; esistono sei differenti fasi di funzionamento.
—– p. 16—–
Mobilità sostenibile
Durante la partenza le batterie forniscono da sole tutta l’energia elettrica necessaria
al movimento del veicolo fornendola sia al motore elettrico anteriore sia a quello
posteriore mentre il motore a combustione interna rimane spento, figura 2.8.a. Con
accelerazioni elevate sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico anteriore forniscono potenza all’asse anteriore mentre l’asse posteriore è mosso dal
motore elettrico posteriore; è da notare che durante questa fase tutti e tre i motori
( uno a combustione interna e due elettrici ) forniscono simultaneamente la potenza
per muovere il veicolo, figura 2.8.b. Durante una guida normale e/o ricarica della
batteria, la potenza fornita dal motore a combustione interna viene divisa in modo
tale da fornire potenza alle ruote dell’asse anteriore e al motore elettrico anteriore
che, in questo caso, funziona da generatore e ricarica le batterie; si deve notare che
il motore dell’asse posteriore risulta spento, figura 2.8.c. Il dispositivo meccanico
che permette di accoppiare il motore a combustione interna e il motore elettrico
anteriore con l’asse delle ruote anteriori è un rotismo epicicloidale. Durante la guida
con bassi carichi le batterie forniscono l’energia elettrica al motore elettrico anteriore che da solo fornisce la potenza necessaria per muovere il veicolo mentre sia il
motore a combustione interna che il motore elettrico posteriore sono spenti, figura 2.8.d. Durante la frenata e/o decelerazione entrambi i motori funzionano come
generatori ricaricando le batterie, figura 2.8.e. Un aspetto unico di questo sistema è
la capacità di bilanciare gli assi, nel caso che le ruote anteriori slittassero, il motore
elettrico accoppiato con tale asse inizierebbe a funzionare come generatore assorbendo la potenza in eccesso prodotta dal motore a combustione interna; per mezzo
delle batterie questa differenza di potenza verrebbe usata per muovere l’asse delle
ruote posteriori raggiungendo i bilanciamento degli assi, figura 2.8.f. Recentemente,
la Toyota Post-Prius ha utilizzato questo sistema di controllo per i flussi di potenza.
La figura 2.9 mostra un altro sistema di trazione complesso, dove l’asse delle ruote
anteriori è guidato da un motore elettrico mentre l’asse delle ruote posteriori è mosso
da un sistema ibrido; esistono sei differenti fasi di funzionamento.
Durante la partenza l’energia elettrica viene fornita dalla batteria ma solamente al
motore elettrico anteriore mentre il motore a combustione interna e l’altro motore
elettrico risultano spenti, figura 2.9.a. Non appena si sia mosso il veicolo, le batterie
forniscono energia elettrica al motore posteriore facendolo funzionare come starter
per il motore a combustione interna, figura 2.9.b. Per accelerazioni elevate l’asse
delle ruote anteriori è mosso dal suo motore elettrico mentre l’asse delle ruote posteriori è mosso sia dal motore elettrico sia da quello a combustione interna, figura 2.9.c.
Durante la guida normale solo il motore a combustione interna fornisce l’energia per
muovere il veicolo fornendola all’asse delle ruote posteriori, figura 2.9.d. Durante la
frenata e/o decelerazione entrambi i motori funzionano come dei generatori caricando simultaneamente le batterie, figura 2.9.e. Durante la guida è possibile ricaricare
le batterie, la potenza fornita dal motore a combustione interna è suddivisa in modo
tale da fornire: potenza sufficiente per muovere il veicolo mentre la parte restante
fornirla al motore elettrico posteriore che, funzionando da generatore, ricarica le
batterie, figura 2.9.f. Recentemente la GM Precept ha utilizzato questo sistema di
controllo dei flussi di potenza .
—– p. 17—–
Veicoli Ibridi
Figura 2.9: Fasi del funzionamento del veicolo ibrido complesso ( ibrido posteriore,
elettrico anteriore.
—– p. 18—–
Capitolo 3
Veicolo Ibrido Serie
3.1
Introduzione
La struttura di un veicolo ibrido serie fu sviluppata partendo da quella del veicolo
elettrico. Infatti un veicolo mosso da un motore elettrico rispetto ad uno mosso da
motore a combustione interna presenta i seguenti vantaggi: un livello di emissioni
atmosferiche nulle, diverse sorgenti energetiche e alto rendimento.
Figura 3.1: Schema di un veicolo ibrido serie.
Purtroppo il veicolo elettrico, utilizzando le attuali tecnologie presenta alcuni svantaggi: un’autonomia limitata dovuta alle scarse capacità delle batterie, costi elevati,
un tempo lungo di ricarica e una bassa capienza dei veicoli. L’obiettivo iniziale
dello sviluppo di un veicolo ibrido serie ( S-HEV ) fu quello di puntare all’aumento dell’autonomia aggiungendo un motore a combustione interna ed un alternatore
per poter ricaricare le batterie anche quando il veicolo è in movimento. Una tipica
configurazione di un veicolo ibrido serie è mostrata in figura 3.1. La potenza, necessaria al motore elettrico per muovere il veicolo, risulta fornita dal PPS ( Sorgente di
19
Veicoli Ibridi
potenza di picco ) oppure dal gruppo motore - generatore. Quando il veicolo richiede
una potenza elevata il gruppo motore-generatore fornisce assieme al PPS tutta la
potenza necessaria al motore elettrico; mentre quando la richiesta di potenza è bassa l’energia viene inviata al PPS per essere ricaricate. Il dispositivo che controlla
il motore elettrico e che quindi permette il movimento del veicolo è definito motor
controller, figura 3.1.
3.2
Funzionamento
Il sistema di produzione della potenza cioè il gruppo motore-generatore è meccanicamente separato dalle ruote motrici come mostrato in figura 3.1. La velocità e la
coppia del motore a combustione interna sono pertanto indipendenti dalla velocità
e dalla coppia di trazione richiesta dal veicolo. Generalmente il motore a combustione interna viene fatto funzionare nella sua zona ottimale dove sia il consumo di
carburante che le emissioni atmosferiche nocive risultano minime. Le varie fasi, del
sistema di trazione, possono essere utilizzate in base alle condizioni di guida che
sono le seguenti:
• Modalità di trazione ibrida. Quando è richiesta un’elevata potenza, cioè
il guidatore preme a fondo il pedale dell’acceleratore, sia il gruppo motore generatore sia la sorgente di potenza di picco ( PPS ) forniscono la potenza
necessaria al motore elettrico. In questa condizione il motore a combustione
interna viene fatto funzionare nella zona con massimo rendimento e basse emissioni atmosferiche, figura 3.2.
Figura 3.2: Esempio di caratteristica del motore e regione ottimale di funzionamento.
La sorgente di potenza di picco ( PPS ) fornisce la differenza tra la potenza richiesta dal veicolo e quella fornita dal motore a combustione interna.
—– p. 20—–
Mobilità sostenibile
L’operazione può essere cosı̀ espressa:
Pdemand = Pe−g + PP P S
dove Pdemand è la potenza richiesta dal veicolo, Pe−g è la potenza fornita dal
gruppo motore - generatore e PP P S è quella fornita dalla sorgente di picco.
• Modalità di trazione PPS. In questa condizione la sorgente di potenza di picco ( PPS ) fornisce, da sola, tutta la potenza richiesta dal veicolo.
L’operazione può essere cosı̀ espressa:
Pdemand = PP P S
• Modalità di trazione motore - generatore. In questa condizione il motore
- generatore fornisce da solo tutta la potenza richiesta dal veicolo. L’operazione
può essere cosı̀ espressa:
Pdemand = Pe−g
• Modalità di ricarica del PPS da parte del motore - generatore. Quando l’energia della sorgente di potenza di picco ( PPS ) scende al di sotto del
valore minimo deve, per forza, essere ripristinato lo stato di carica. Questo
può essere fatto in due modi differenti: il primo modo consiste nel recupero
dell’energia cinetica del veicolo durante la frenata, il secondo per mezzo del
gruppo motore-generatore; spesso è necessario il contributo del gruppo motoregeneratore in quanto l’energia recuperata durante la frenata risulta essere insufficiente. In questo caso la potenza del motore a combustione interna risulta
essere suddivisa in due parti: una parte è usata per far muovere il veicolo
e l’altra è utilizzata per ricaricare la sorgente di potenza di picco ( PPS ).
L’operazione può essere cosı̀ espressa:
Pdemand = Pe−g − PP P S
Tale operazione viene eseguita solamente quando la potenza del motore generatore risulta essere più grande rispetto alla potenza richiesta dal veicolo.
• Modalità di ricarica in frenata. In tale condizione il veicolo è in fase di
frenatura pertanto il motore elettrico di trazione funziona come un generatore
ricaricando la sorgente di potenza di picco ( PPS ).
3.3
Sistemi di controllo
In ogni veicolo è presente un sistema per controllare tutti i componenti presenti;
tale sistema riceve i segnali di comando dal conducente e i segnali di ritorno da tutti
i componenti del sistema e, di conseguenza, decide in che modo far funzionare il
veicolo. Le strategie per il controllo del veicolo sono le seguenti:
• Massimo stato di carica della sorgente di potenza di picco (Max. SOC del
PPS).
• Motore acceso o spento.
—– p. 21—–
Veicoli Ibridi
3.3.1
Massimo stato di carica della sorgente di picco
L’obiettivo di questo sistema di controllo è quello di fornire la potenza richiesta dal
guidatore e, allo stesso tempo, mantenere lo stato di carica del PPS ad un livello
adeguato. Questo tipo di controllo, mostrato in figura 3.3, è descritto da quattro
punti ( A,B,C,D ) che rappresentano la potenza che il guidatore richiede sia durante
la fase di accelerazione sia durante la fase di decelerazione.
Figura 3.3: Modalità di funzionamento con scambi di potenza.
—– p. 22—–
Mobilità sostenibile
Il punto A rappresenta un funzionamento dove la potenza richiesta è maggiore
rispetto a quella che può fornire il gruppo motore - generatore; in questo caso il
PPS deve essere in grado di sopperire alla potenza richiesta e la potenza fornita dal
gruppo motore - generatore.
Il punto B rappresenta un funzionamento dove la potenza richiesta dal veicolo è
minore rispetto a quella che il gruppo motore - generatore produce quando funziona
nella sua zona ottimale cioè con consumi ed emissioni bassi. In questo caso sono
possibili due diverse operazioni che dipendono dallo stato di carica del PPS. Se lo
stato di carica del PPS è al di sotto del valore massimo viene ricaricato utilizzando
parte dell’energia che il gruppo motore - generatore produce funzionando nella sua
zona ottimale, la parte restante è utilizzata per muovere il veicolo. Invece, se lo
stato di carica del PPS è già al suo massimo valore la potenza fornita dal gruppo
motore - generatore è l’unica ad alimentare il veicolo quindi è uguale alla potenza
richiesta.
Il punto C rappresenta il funzionamento in frenata dove la potenza recuperata è
più grande rispetto a quella che il motore elettrico può convertire; in questo caso
parte della potenza è fornita al motore elettrico mentre l’altra parte è prodotta dal
sistema meccanico di frenatura.
Il punto D rappresenta il funzionamento in frenata dove la potenza recuperata è più
piccola rispetto alla massima potenza del motore elettrico; in questo caso tutta la
potenza è fornita al motore elettrico.
Il diagramma di flusso che rappresenta il controllo dello stato di carica del PPS è
mostrato in figura 3.4.
Figura 3.4: Diagramma di flusso del massimo stato di carica del PPS.
—– p. 23—–
Veicoli Ibridi
3.3.2
Strategia di controllo del motore a combustione interna
Guidando per tempi prolungati con basso carico, ciò può accadere per esempio nelle
strade a scorrimento veloce oppure a velocità costante, il PPS può facilmente avere
il massimo valore di carica pertanto il motore a combustione interna verrebbe fatto
funzionare con una potenza piuttosto modesta pregiudicando quindi il rendimento
complessivo del sistema. Si preferisce pertanto impostare la seguente modalità di
funzionamento: lo stato del gruppo motore - generatore viene controllato dallo stato
di carica in cui si trova il PPS, figura 3.5.
Figura 3.5: Diagramma temporale dello stato del gruppo motore - generatore.
Il gruppo motore - generatore risulta acceso fino a quando lo stato di carica del
PPS risulta al di sotto del suo valore massimo, quando viene raggiunto il gruppo
motore - generatore viene spento e solamente il PPS fornisce la potenza necessaria
al movimento del veicolo. Quando lo stato di carica ha raggiunto il valore minimo il
gruppo motore - generatore viene riacceso; in questo modo il motore a combustione
interna viene fatto funzionare nella sua zona ottimale.
3.4
Dimensionamento dei maggiori componenti
I maggiori componenti di un veicolo ibrido serie sono: il motore elettrico, il gruppo
motore - generatore e la sorgente di potenza di picco; il loro dimensionamento di
massima è il primo e più importante passo nella progettazione dell’intero sistema.
Durante la loro progettazione devono essere presi in considerazione i seguenti aspetti
fondamentali.
• Prestazioni del veicolo durante la fase di accelerazione.
• Funzionamento del veicolo nei circuiti urbano ed extraurbano.
• Energia immagazzinata nel PPS ( Sorgente di potenza di picco ).
—– p. 24—–
Mobilità sostenibile
3.4.1
Dimensionamento del motore elettrico di trazione
La potenza di dimensionamento del motore elettrico, per un veicolo ibrido, viene
determinata in base: all’accelerazione richiesta, alle caratteristiche del motore a
combustione interna e dal sistema di trasmissione della potenza. Nella fase preliminare del progetto la potenza per cui deve essere dimensionato il motore può essere
calcolata considerando le prestazioni in fase di accelerazione, cioè il tempo necessario affinchè il veicolo, partendo da una velocità iniziale, raggiunga la velocità finale
desiderata. Una buona stima può determinarsi con l’ equazione 3.1.
Pt =
2
δ Mv 2
1
(Vf + Vb2 ) + Mv g fv Vf + ρa CD Af Vf3
2 ta
3
5
(3.1)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Mv
ta
Vb
Vf
g
fv
ρa
Af
CD
δ
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
massa totale del veicolo [ kg ]
tempo necessario per accelerare il veicolo [ s ]
velocità iniziale del veicolo [ m/s ]
velocità finale del veicolo [ m/s ]
accelerazione di gravità [9.81 m/s2 ]
coefficiente di attrito volvente
densità dell’aria [ 1.202 kg/m3 ]
area frontale del veicolo [ m2 ]
coefficiente di aerodinamicità del veicolo
fattore di massa del veicolo
L’equazione 3.1 presenta tre termini: il primo rappresenta la potenza necessaria
per accelerare il veicolo mentre il secondo e terzo termine rappresentano la potenza
necessaria per vincere l’attrito volvente e l’attrito dell’aria. La potenza e la forza di
trazione, entrambe in funzione della velocità, sono mostrate in figura 3.6.
Figura 3.6: Potenza e forza di trazione in funzione della velocità.
—– p. 25—–
Veicoli Ibridi
Durante l’accelerazione, partendo con bassi rapporti la forza di trazione segue la
traccia a-b-d-e e la velocità di base del veicolo è pari a Vb1 . Quando, invece, è
possibile utilizzare un solo rapporto di trasmissione si è costretti ad utilizzare alti
rapporti di trasmissione e pertanto la forza di trazione segue la traccia c-d-e con
velocità base pari Vb2 .
3.4.2
Dimensionamento del gruppo motore - generatore
Come è stato precedentemente illustrato il gruppo motore - generatore, in un sistema
ibrido serie, è soprattutto utilizzato per fornire potenza al PPS prima che questi si
scarichi completamente. Nella progettazione del gruppo motore - generatore devono
essere considerate due differenti condizioni di guida: la prima condizione di guida
avviene a velocità costante e per un tempo prolungato, per esempio sulle strade
extraurbane, la seconda condizione di guida avviene con frequenti fermate e partenze, per esempio nelle strade urbane. Con la prima condizione il gruppo motore generatore deve essere in grado di fornire da solo tutta la potenza al veicolo senza
contare sul supporto del PPS questo può avvenire quando il veicolo viaggia ad alte
velocità ( 130 km/h ). Nella seconda condizione il gruppo motore - generatore deve
essere in grado di produrre la potenza necessaria per mantenere ad un certo livello
di carica il PPS cosı̀ che, in ogni momento, può essere fornita potenza per accelerare
il veicolo. A velocità costante e su strada piana, la potenza che il gruppo motore generatore deve essere in grado di fornire è stimata per mezzo dell’equazione 3.2.
µ
¶
1
V
2
Mv g fv + ρa CD Af V
[ kW ]
(3.2)
Pe−g =
1000 ηt ηm
2
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
ηt
ηm
V
:
:
:
rendimento del sistema di trasmissione
rendimento del motore elettrico di trazione
velocità del veicolo [ m/s ]
Quando il veicolo percorre un’area urbana, dove fermate e partenze sono frequenti,
la potenza prodotta dal gruppo motore - generatore deve essere superiore al valor
medio della potenza richiesta dal veicolo per poter compensare l’energia che viene
immagazzinata nel PPS. Il valor medio della potenza viene stimato per mezzo dell’equazione 3.3.
Pave =
1
T
Z
0
T
µ
¶
Z
1
1 T
dv
Mv g fv + ρa CD Af V 2 · V d t +
δ Mv
dt
2
T 0
dt
(3.3)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
δ
dv/dt
:
:
fattore di massa del veicolo
accelerazione del veicolo [ m/s2 ]
L’equazione 3.3 presenta due termini: il primo rappresenta la potenza media necessaria per vincere sia l’attrito volvente che quello dell’aria mentre il secondo termine
rappresenta la potenza media necessaria per accelerare o decelerare il veicolo. Quando l’intero sistema ha la capacità di convertire tutta l’energia cinetica posseduta dal
—– p. 26—–
Mobilità sostenibile
veicolo il secondo termine risulta nullo altrimenti presenta un valore maggiore di
zero come viene mostrato in figura 3.7.
Figura 3.7: Valor medio della potenza per accelerare o decelerare il veicolo.
3.4.3
Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS )
La sorgente di potenza di picco ( PPS )deve essere in grado di rilasciare potenza sufficiente per far muovere il veicolo in ogni momento e ,allo stesso tempo, deve poter
immagazzinare tutta l’energia necessaria dovuta ai frequenti assorbimenti. Il valore
della potenza viene stimato per mezzo dell’equazione 3.4.
PP P S ≥
Pm,max
− Pe−g
ηm
(3.4)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Pm,max
ηm
Pe−g
:
:
:
massima potenza erogata dal motore elettrico
rendimento del motore elettrico
potenza fornita dal gruppo motore - generatore.
L’energia che viene scambiata dal PPS è espressa per mezzo dell’equazione 3.5.
Z
∆E =
0
T
PP P S dt
(3.5)
L’energia è positiva quando è in fase di carica mentre è negativa quando è in fase di
scarica.
Sia ∆Emax , figura 3.8, l’energia massima che viene scambiata durante un ciclo e
siano rispettivamente SOCtop e SOCbott il valore massimo e il valore minimo dello
stato di carica, figura 3.5. La capacità energetica del PPS può stimarsi per mezzo
dell’equazione 3.6.
Ecap =
∆Emax
SOCtop − SOCbott
—– p. 27—–
(3.6)
Veicoli Ibridi
Figura 3.8: Energia scambiata in un percorso urbano( Max. SOC del PPS ).
—– p. 28—–
Capitolo 4
Veicolo Ibrido Parallelo
4.1
Introduzione
Diversamente da ciò che avviene in una configurazione ibrida serie nel sistema ibrido parallelo, figura 4.1 sia il motore a combustione interna sia il motore elettrico
forniscono potenza meccanica direttamente alle ruote motrici.
I vantaggi che una configurazione in parallelo presenta rispetto ad una configu-
Figura 4.1: Schema di un veicolo ibrido parallelo.
razione serie sono:
• Non è più richiesta la presenza del generatore.
• Il motore elettrico di trazione è più piccolo.
• Non è più necessaria la multiconversione di potenza dal motore a combustione
interna alle ruote motrici.
29
Veicoli Ibridi
Pur essendo complessivamente, in una configurazione ibrida parallela, il rendimento
più elevato il controllo del suo sistema di trazione risulta più complesso rispetto a
quello serie ciò è dovuto all’organo meccanico di accoppiamento tra motore a combustione interna, motore elettrico e ruote motrici. Questo capitolo sarà concentrato
sulla metodologia di progettazione di un sistema parallelo, con meccanismo di accoppiamento, sul quale operano sia il motore a combustione interna, che fornisce la
potenza per il carico base ( spostamenti del veicolo a velocità costante sul piano,
su strade lievemente pendenti o nei circuiti urbani ) sia il motore elettrico che fornisce i picchi di potenza richiesti rispetto al carico base. Una prima importante
osservazione può essere effettuata sul carico di lavoro che il sistema di trazione deve
essere in grado di effettuare: il carico base, svolto in area urbana oppure nelle strade
a scorrimento veloce, è molto più piccolo rispetto al carico di lavoro massimo che
il veicolo deve essere in grado di svolgere; questo suggerisce che la potenza di dimensionamento del motore a combustione interna è più piccola rispetto a quella del
motore elettrico. Gli obiettivi che un veicolo ibrido parallelo dovrà essere in grado
di soddisfare sono:
• Soddisfare le caratteristiche richieste (: accelerazione, velocità massima ).
• Conseguire un rendimento complessivo il più elevato possibile.
• Mantenere lo stato di carica ( SOC ) delle batterie ad un ragionevole livello
durante il ciclo di guida senza che vengano ricaricate dall’esterno.
• Recuperare il più possibile l’energia cinetica posseduta dal veicolo durante la
fase di frenatura.
4.2
Funzionamento
In un veicolo con sistema ibrido parallelo le modalità di funzionamento sono le
seguenti:
• Solo con motore a combustione interna.
• Solo con motore elettrico.
• Trazione ibrida ( Motore a combustione interna più motore elettrico ).
• Frenata rigenerativa.
• Sorgente di potenza di picco ( PPS ) ricaricata dal motore a combustione
interna.
Durante il movimento del veicolo il sistema di trazione deve essere fatto funzionare
nel modo più appropriato possibile per garantire: coppia sufficiente, un rendimento
elevato, mantenere un ragionevole livello di carica della sorgente di potenza ( PPS )
e di recuperare il più possibile l’energia cinetica, posseduta dal veicolo, durante la
frenata.
—– p. 30—–
Mobilità sostenibile
4.3
Sistemi di controllo
In ogni veicolo è presente un sistema per controllare tutti i componenti presenti;
tale sistema riceve i segnali di comando dal conducente e i segnali di ritorno da tutti
i componenti del sistema e, di conseguenza, decide in che modo far funzionare il
veicolo. Le strategie per il controllo del veicolo sono le seguenti:
• Massimo stato di carica della sorgente di potenza di picco (Max. SOC del
PPS).
• Motore acceso o spento.
4.3.1
Massimo stato di carica della sorgente di picco
Quando il veicolo percorre un circuito urbano, quindi soggetto a frequenti partenze e
frenate, la sorgente di picco ( PPS ) deve ripetutamente fornire potenza al sistema di
trazione conseguentemente tende a scaricarsi velocemente. Quindi per soddisfare le
richieste del veicolo è necessario mantenere un livello di carica adeguato effettuando
un controllo sullo stato della sorgete di potenza di picco ( PPS ). In figura 4.2 sono
tracciate, in funzione della velocità, oltre a una serie di curve che mostrano le potenze
che il sistema di trazione è in grado di produrre o di riconvertire anche quattro
differenti condizioni condizioni di funzionamento rappresentate da quattro punti
( A,B,C,D ). Le possibili condizioni di funzionamento sono le seguenti:
• Solo motore elettrico. Quando la velocità del veicolo risulta inferiore al
valore Veb è da considerarsi troppo bassa per far funzionare il motore a combustione interna in maniera continuativa. In questo caso soltanto il motore
elettrico fornisce tutta la potenza necessaria per far muovere il veicolo mentre
il motore a combustione interna risulta spento oppure funzionante a vuoto.
L’operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni:
Pe = 0
Pe
PL
ηt,m
:
:
:
Pm
PP P S−d
ηm
:
:
:
Pm =
PL
ηt,m
PP P S−d =
Pm
ηm
potenza fornita dal motore a combustione interna
potenza richiesta dal veicolo
rendimento del sistema di trasmissione
tra il motore elettrico e le ruote motrici
potenza fornita dal motore elettrico
potenza fornita dalla sorgente di picco ( PPS )
rendimento del motore elettrico
• Modalità di funzionamento ibrida. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata in questo caso dal punto A di figura 4.2, risulta essere più grande
rispetto alla potenza che il motore a combustione interna può fornire da solo;
quindi, entrambi i motori devono erogare potenza nello stesso momento. In
questo caso il motore a combustione interna viene fatto funzionare lungo la
linea 3 dove il rendimento è ottimale; la differenza tra la potenza richiesta dal
—– p. 31—–
Veicoli Ibridi
veicolo e quella fornita dal motore a combustione interna viene prodotta dal
motore elettrico. L’operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni:
Pm =
ηt,e
:
PL − Pe · ηt,e
ηt,m
PP P S−d =
Pm
ηm
rendimento del sistema di trasmissione tra il motore
a combustione interna e le ruote motrici
Figura 4.2: Modalità di funzionamento con scambi di potenza.
—– p. 32—–
Mobilità sostenibile
• Modalità di ricarica del PPS. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata in questo caso dal punto B di figura 4.2, risulta essere più piccola rispetto
alla potenza che il motore a combustione interna può fornire funzionando lungo
la linea 3 cioè con il massimo rendimento. Per determinare i flussi di potenza
si considera lo stato di carica della sorgente di potenza ( PPS ) se si trova al
di sotto del suo valore massimo parte della potenza, Pmc , fornita dal motore
a combustione interna viene convertita in elettrica ed immagazzinata nel PPS
per mezzo del motore elettrico che in questo caso funziona come generatore.
L’operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni:
¶
µ
PL
· ηt,e,m · ηm
PP P S−c = Pm
Pm = Pe −
ηt,e
ηt,e,m
:
PP P S−c
:
rendimento del sistema di trasmissione tra il motore
a combustione interna e il motore elettrico
potenza accumulata nella sorgente di picco ( PPS )
• Solo motore a combustione interna. La potenza richiesta dal veicolo, rappresentata sempre dal punto B di figura 4.2, risulta essere più piccola rispetto
alla potenza che il motore a combustione interna può fornire funzionando lungo
la linea 3 cioè con il massimo rendimento. Per determinare i flussi di potenza
si considera lo stato di carica della sorgente di potenza ( PPS ) se risulta al
suo massimo valore il motore elettrico risulta spento e solamente il motore a
combustione interna, lavorando lungo la linea 4 quindi a minor rendimento,
fornisce potenza al veicolo. L’operazione può essere espressa dalle seguenti
equazioni:
PL
Pm = 0
PP P S = 0
Pe =
ηt,e
• Modalità di ricarica in frenata. Se il veicolo è in fase di frenata, rappresentata in questo caso dal punto D di figura 4.2, e la potenza richiesta per
frenare il veicolo è inferiore al valore massimo che il motore elettrico riesce a
riconvertire allora il motore elettrico funziona da generatore e tutta l’energia
cinetica posseduta dal veicolo viene convertita in elettrica e immagazzinata nel
PPS. L’operazione può essere espressa dalle seguenti equazioni:
Pmb = PL · ηt,m · ηm
Pmb
:
PP P S−c = Pmb
potenza elettrica di frenata
• Modalità di funzionamento ibrida in frenata. Se il veicolo è in fase di
frenata, rappresentata in questo caso dal punto C di figura 4.2, e la potenza
richiesta per frenare il veicolo è più grande rispetto alla massima potenza che
il motore riesce a riconvertire allora oltre al motore elettrico che, funzionante
come generatore, riesce a riconvertire la massima potenza deve essere azionato
anche il sistema meccanico di frenatura. L’operazione può essere espressa dalle
seguenti equazioni:
Pmb = Pmb,max · ηm
—– p. 33—–
PP P S−c = Pmb
Veicoli Ibridi
Il diagramma di flusso che rappresenta il controllo dello stato di carica del PPS è
mostrato in figura 4.3.
Figura 4.3: Diagramma di flusso del massimo stato di carica del PPS.
4.3.2
Strategia di controllo del motore a combustione interna
Simile a quanto visto per un veicolo ibrido serie, il controllo del motore a combustione interna è effetuato a seconda dello stato di carica del PPS. Infatti quando lo
stato di carica ha raggiunto il valore massimo il motore a combustione interna viene
spento e il veicolo viene azionato solamente dal motore elettrico. Quando invece lo
stato di carica del PPS ha raggiunto il suo valore minimo il motore a combustione
interna viene acceso e il controllo del sistema avviene a seconda della condizione di
funzionamento del veicolo ( descritte nel paragrafo 4.3.1 ).
Figura 4.4: Diagramma temporale dello stato del motore a combustione interna.
—– p. 34—–
Mobilità sostenibile
4.4
Dimensionamento dei maggiori componenti
I principali componenti per un sistema ibrido parallelo sono: il motore a combustione interna, il motore elettrico, il sistema di trasmissione meccanica e la sorgente
di potenza di picco ( PPS ). Una prima stima di questi elementi può essere fatta
partendo dalle caratteristiche ( velocità, accelerazione ) richieste dal veicolo.
4.4.1
Dimensionamento del motore a combustione interna
Il motore a combustione interna deve essere in grado di fornire potenza al veicolo per
poter viaggiare sia a velocità costante in pianura o per lievi salite, in entrambi i casi
senza l’ausilio del sistema di accumulo ( PPS ). Inoltre deve poter fornire un valore
medio di potenza maggiore rispetto a quella richiesta dal veicolo quando percorre
strade dei centri urbani in quanto, deve fornire parte della sua potenza al sistema
di accumulo ( PPS ). La potenza di dimensionamento del motore a combustione interna per condizioni di funzionamento a velocità costante o per lievi salite è fornita
dall’equazione 4.1.
µ
¶
1
V
2
Mv g fr + ρa CD Af V + Mv g i [ kW ]
(4.1)
Pe =
1000 ηt,e
2
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Mv
V
g
fr
ρa
Af
CD
i
ηt,e
:
:
:
:
:
:
:
:
:
massa totale del veicolo [ kg ]
velocità del veicolo [ m/s ]
accelerazione di gravità [ 9.81 m/s2 ]
coefficiente di attrito volvente
densità dell’aria [ 1.202 kg/m3 ]
area frontale del veicolo [ m2 ]
coefficiente di aerodinamicità del veicolo
inclinazione del veicolo
rendimento del sistema di trasmissione tra il motore
a combustione interna e le ruote motrici.
Il coefficiente di inclinazione viene determinato secondo l’equazione 4.2 e la figura 4.5.
i=
H
= tan α ≈ sin α
L
(4.2)
Oltre alla potenza erogata, equazione 4.1, il motore a combustione interna deve
essere dimensionato tenendo anche conto della potenza media richiesta durante la
guida nei circuiti urbani. La potenza media che deve fornire può essere stimata
secondo l’equazione 4.3.
¶
Z Tµ
1
1
dv
Pave =
Mv fr V + ρa CD Af V 3 + δ Mv V
dt
(4.3)
T 0
2
dt
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
δ
dv/dt
:
:
fattore di massa del veicolo
accelerazione del veicolo [ m/s2 ]
—– p. 35—–
Veicoli Ibridi
Figura 4.5: Inclinazione dell’automobile.
Figura 4.6: Forza di trazione in funzione della velocità.
4.4.2
Dimensionamento del motore elettrico
La principale funzione del motore elettrico è fornire i picchi di potenza al sistema
di trazione. Una prima stima può essere fatta considerando che la potenza necessaria per vincere sia la resistenza di attrito volvente sia quella aerodinamica viene
fornita dal motore a combustione interna mentre la potenza necessaria per vincere
il carico inerziale viene fornita dal motore elettrico. Con questa considerazione l’accelerazione è direttamente legata alla coppia prodotta dal motore elettrico pertanto
calcolata l’accelerazione si determina il tempo per accelerare il veicolo. La forza
applicata alle ruote motrici può essere stimata secondo l’equazione 4.4.
Tm it,m ηt,m
dv
= δm Mv
r
dt
—– p. 36—–
(4.4)
Mobilità sostenibile
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Tm
δm
it,m
r
ηt,m
:
:
:
:
:
coppia del motore elettrico [ N ]
fattore di massa
accelerazione di gravità [ 9.81 m/s2 ]
raggio della ruota
rendimento del sistema di trasmissione tra il motore
elettrico e le ruote motrici.
Utilizzando le caratteristiche richieste dal veicolo e cioè: il tempo per accelerare
il veicolo da zero alla velocità finale ( Vf ) e sapendo che Vb è la velocità di base,
figura 4.6, la potenza del motore elettrico può essere stimata secondo l’equazione 4.5.
Pm =
ta
¢
δm Mv ¡ 2
Vf + Vb2
2 ηt,m ta
(4.5)
tempo di accelerazione [ m/s2 ]
:
4.4.3
Dimensionamento del sistema di accumulo energetico ( PPS )
Il sistema di accumulo energetico ( PPS ) deve essere dimensionato tenendo conto
della potenza e dell’energia che deve immagazzinare. La potenza, del sistema di
accumulo, deve essere maggiore o uguale alla potenza elettrica assorbita dal motore,
la relazione risulta pertanto espressa dalla disequazione 4.6.
PS ≥
Pm
ηm
(4.6)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Pm
ηm
PS
:
:
:
potenza del motore elettrico [ kW ]
rendimento del motore elettrico
potenza del sistema di accumulo [ kW ]
La capacità di immagazzinare energia da parte di un sistema di accumulo è collegata al consumo energetico associato alle varie condizioni di guida. Durante il
periodo in cui il veicolo viene accelerato l’energia fornita dal sistema di accumulo,
equazione 4.7, e dal motore a combustione interna, equazione 4.8, possono essere
stimate considerando il tempo di accelerazione del veicolo. I termini presenti nelle
Z
ES =
0
ta
Pm
dt
ηm
Z
(4.7)
Eeng =
equazioni hanno i seguenti significati:
Pm
ηm
Pe
:
:
:
potenza del motore elettrico [ kW ]
rendimento del motore elettrico
potenza del motore a combustione interna [ kW ]
—– p. 37—–
0
ta
Pe d t
(4.8)
Veicoli Ibridi
Figura 4.7: Energia fornita dai due sistemi in funzione della velocità del veicolo.
Durante la guida nel circuito urbano, quindi con frequenti accelerazioni e frenate,
l’energia scambiata dal sistema di accumulo può essere stimata secondo l’equazione 4.9.
Z t
EC =
(PSC − PSD ) d t
(4.9)
0
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
PSC
PSD
:
:
potenza di carica del sistema di accumulo [ kW ]
potenza di scarica del sistema di accumulo [ kW ]
Per determinare invece la capacità energetica del sistema di accumulo, equazione 4.10,
si deve conoscere oltre all’energia di scarica del sistema anche il valore massimo e
minimo dello stato di carica.
ECS =
ED
SOCt − SOCb
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
ED
SOCt
SOCb
:
:
:
energia di scarica [ J ]
valore massimo dello stato di carica [ J ]
valore minimo dello stato di carica [ J ]
—– p. 38—–
(4.10)
Capitolo 5
Veicolo Ibrido Leggero
5.1
Introduzione
Nel veicolo ibrido serie e nel veicolo ibrido parallelo i consumi di carburante vengono
ridotti facendo funzionare il motore a combustione interna nella zona di massimo
rendimento e utilizzando la frenata rigenerativa. Il punto debole di questi veicolo
consiste in una elevata richiesta di potenza ed energia elettrica quindi imponendo
l’utilizzo di costosi e pesanti sistemi di accumulo all’interno del veicolo. Un aumento
del peso complessivo del veicolo comporta un incremento delle perdite riducendo
l’autonomia del veicolo e mettendo in serie difficoltà tutto il sistema di trazione. Un
compromesso possibile avviene cercando di sviluppare un prodotto intermedio che
presenti un semplice convertitore di potenza e presenti ancora un elevato rendimento
complessivo; la soluzione consiste nel mettere un piccolo motore elettrico assieme al
motore a combustione interna. Questo piccolo motore può funzionare come motore
di avviamento o come generatore elettrico è pertanto in grado di fornire potenza al
sistema di trazione quando viene richiesta per manovrare il veicolo e di convertire
parte dell’energia cinetica del veicolo in energia elettrica. Un veicolo di questo tipo
non necessita di grossi sistemi di accumulo in quanto la potenza di dimensionamento
del motore elettrico è piuttosto modesta e un sistema di accumulo che presenti una
tensione di 42 V è in grado di soddisfare appieno le richieste del veicolo. Le altre
parti del veicolo che sono: il motore a combustione interna, il sistema di trasmissione
e l’impianto frenante non necessitano quindi di notevoli cambiamenti.
5.1.1
Consumi energetici
Una prima perdita di energia avviene durante la frenata e questo accade soprattutto
nelle aree urbane. L’energia cinetica che si riesce a recuperare durante la frenata
rigenerativa non è molta e pertanto un piccolo motore elettrico, funzionante come
generatore, è in grado di recuperarla. Una seconda perdita di energia avviene nel
sistema di trasmissione presentando un rendimento basso quando il rapporto di
trasmissione risulta basso e questa perdita avviene soprattutto nelle arre urbane.
Inoltre quando il veicolo effettua delle brevi fermate il motore a combustione interna
funziona a vuoto consumando energia quindi, l’utilizzo di un piccolo motore elettrico,
funzionante da generatore, ne permette il recupero.
39
Veicoli Ibridi
5.2
5.2.1
Veicolo Ibrido Parallelo Leggero
Configurazione
La struttura di un veicolo ibrido parallelo, mostrata in figura 5.1,presenta un motore
elettrico, di dimensioni ridotte in grado di funzionare come: motore di avviamento,
come generatore e come motore di trazione. Il motore elettrico viene posizionato tra
il motore a combustione interna e il sistema di trasmissione; la frizione, come per
un veicolo normale, viene utilizzata per sconnettere il sistema di trasmissione dal
motore a combustione interna. La potenza di dimensionamento del motore elettrico
è circa il 10% della potenza di dimensionamento del motore a combustione interna.
Il motore elettrico viene facilmente controllato per operare in ogni condizione di
coppia e di velocità pertanto non necessita di essere separato meccanicamente dal
sistema di trasmissione.
Figura 5.1: Schema di un veicolo ibrido parallelo leggero.
—– p. 40—–
Mobilità sostenibile
5.2.2
Modalità di funzionamento e strategia di controllo
Le possibili condizioni di funzionamento sono le seguenti:
• Solo motore a combustione interna. In questa condizione al motore elettrico viene tolta la tensione di alimentazione e il veicolo viene mosso solamente
dal motore a combustione interna. Questa modalità di funzionamento viene
utilizzata quando lo stato di carica del sistema di accumulo è nella zona di massima carica e il motore a combustione interna è in grado, da solo, di fornire la
potenza necessaria al veicolo.
• Solo motore elettrico. In questa condizione il motore a combustione interna
viene spento e la frizione aperta il veicolo quindi viene mosso solo dal motore
elettrico. Questo modo di funzionare può essere utilizzato a basse velocità e
cioè fino ai 10 km/h.
• Trazione ibrida. In questa condizione sia il motore elettrico che il motore a
combustione interna forniscono la potenza al sistema di trazione.
• Frenata rigenerativa. In questa condizione il motore a combustione interna
viene spento e la frizione aperta; il motore elettrico, funzionando da generatore, crea una coppia resistente e parte dell’energia cinetica del veicolo viene
convertita in elettrica e immagazzinata nel sistema di accumulo.
• Ricarica del sistema di accumulo. In questa condizione il motore a
combustione interna fornisce potenza al motore elettrico che funzionante da
generatore permette di ricaricare il sistema di accumulo.
La scelta della modalità di funzionamento dipende dalle condizioni di guida del
veicolo; la richiesta di potenza avviene da parte del guidatore agendo sul pedale
dell’acceleratore o del freno, dallo stato di carica del sistema di accumulo, figura 5.2,
e dalla velocità del veicolo. Il sistema di controllo, ricevendo in tempo reale i segnali di ritorno dal generatore e dai vari componenti, sceglie la migliore modalità di
funzionamento, tabella 5.1.
Figura 5.2: Diagramma dello stato di carica del sistema di accumulo.
—– p. 41—–
Veicoli Ibridi
Tabella 5.1: Modalità di funzionamento.
Condizioni di guida
Condizione di funzionamento
Sosta
Entrambi i motori sono spenti
Basse velocità ( < 10 km/h )
Solo motore elettrico
Frenata
Frenata rigenerativa
Alta potenza richiesta
( maggiore della potenza del motore
a combustione può produrre )
Trazione ibrida
Medie e basse potenze richieste
5.2.3
Modalità di ricarica del sistema di
accumulo o solo motore a combustione
Dimensionamento del sistema di trazione
Il progetto del veicolo risulta molto simile a quello del veicolo normale, ciò che lo differenzia è la potenza di dimensionamento del motore elettrico, infatti la sua stima,
supponendo che il veicolo parta da fermo, può essere effettuata per mezzo dell’equazione 5.1.
Pm =
δm Mv
V2
2 ta ηt,m
(5.1)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Mv
V
δm
ta
ηt,m
:
:
:
:
:
massa totale del veicolo [ kg ]
velocità del veicolo [ m/s ]
fattore di massa
tempo di accelerazione [ s ]
rendimento del sistema di trasmissione tra il motore
elettrico e le ruote motrici.
Il sistema di accumulo deve essere dimensionato per avere oltre ad una elevata densità di potenza anche un’alta densità di energia. Se per esempio si utilizzassero le
batterie al piombo la caratteristica di scarica assume gli andamenti mostrati in figura 5.3.
—– p. 42—–
Mobilità sostenibile
Figura 5.3: Caratteristica di scarica del sistema di accumulo.
La tensione ai terminali del sistema di accumulo varia in funzione delle corrente di
scarica e del tempo, è possibile schematizzare il sistema secondo il circuito di figura 5.4.
Figura 5.4: Schema elettrico della caratteristica di scarica.
Nel processo di scarica la tensione ai terminali della batteria può essere espressa
secondo l’equazione 5.2.
Vt = V0 ( SOC ) − ( Ri ( SOC ) + Rc ) I
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
V0 ( SOC )
Ri ( SOC )
Rc
I
:
:
:
:
tensione a vuoto della batteria [ V ]
resistenza interna della batteria [ Ω ]
resistenza del conduttore [ Ω ]
corrente di scarica [ A ]
—– p. 43—–
(5.2)
Veicoli Ibridi
La potenza di scarica può essere espressa secondo l’equazione 5.3.
Pt = I V0 ( SOC ) − ( Ri ( SOC ) + Rc ) I 2
(5.3)
Per determinare il massimo valore della potenza di scarica si deve determinare per
quale corrente di scarica avviene; questa la si ottiene derivando, rispetto alla corrente, l’equazione 5.3. La corrente di scarica per cui si ha la massima potenza è data
dall’equazione 5.4 mentre la potenza massima è data dall’equazione 5.5.
I=
V0 ( SOC )
2 ( Ri ( SOC ) + Rc )
Pt,max =
V02 ( SOC )
4 ( Ri ( SOC ) + Rc )
—– p. 44—–
(5.4)
(5.5)
Mobilità sostenibile
5.3
5.3.1
Veicolo Ibrido Serie - Parallelo Leggero
Configurazione
La struttura di un veicolo ibrido serie - parallelo, mostrata in figura 5.5, presenta
un rotismo epicicloidale in grado di connettere il motore a combustione interna e il
motore elettrico al sistema di trasmissione.
Figura 5.5: Schema di un veicolo ibrido serie - parallelo leggero.
Il motore a combustione interna viene collegato alla ruota dentata del rotismo epicicloidale ( ring gear, figura 5.6 ), per mezzo della frizione numero uno necessaria per
accoppiare e disaccoppiare il motore dalla ruota dentata. Il motore elettrico viene
collegato con l’ingranaggio centrale del rotismo epicicloidale ( sun gear, figura 5.6 )
e, per mezzo della frizione numero due l’ingranaggio centrale viene accoppiato e disaccoppiato dalla ruota dentata. Il sistema di trazione viene mosso dal porta satelliti
( carrier, figura 5.6 ) del rotismo epicicloidale.
Figura 5.6: Rotismo epicicloidale.
—– p. 45—–
Veicoli Ibridi
Il rotismo epicicloidale permette di sommare tre velocità differenti tra loro legate
secondo l’equazione 5.6.
ωs
ωr · R
ωc =
+
(5.6)
1+R 1+R
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
R = rr /rs > 1
ωs
ωr
ωc
:
:
:
:
rapporto tra i raggi
velocità angolare dell’ingranaggio centrale
velocità angolare della ruota dentata
velocità angolare del porta satelliti
Supponendo di trascurare le perdite nel rotismo epicicloidale ciò che lega le le coppie
tra di loro è data dall’equazione 5.7.
Tc = ( 1 + R ) · Ts =
1+R
Tr
R
(5.7)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Ts
Tr
Tc
:
:
:
5.3.2
coppia dell’ingranaggio centrale
coppia della ruota dentata
coppia del porta satelliti
Modalità di funzionamento
Esistono due differenti modalità di funzionamento del veicolo a seconda di come
vengano i blocchi e le frizioni, figura 5.5, vengano azionati.
• Modalità di velocità. Quando il veicolo parte da fermo, quindi con velocità
nulla, il motore a combustione interna presenta, per sua costruzione, un numero di giri maggiore di zero. In questo caso la frizione numero uno connette
il motore a combustione interna alla corona dentata del rotismo, mentre la
frizione numero due permette di connettere la corona dentata all’ingranaggio
centrale. I blocchi uno e due connettono l’ingranaggio centrale, collegato al
motore elettrico, e la ruota dentata al veicolo. Ad una data velocità del motore a combustione interna e del veicolo la velocità del motore elettrico risulta
fornita dall’equazione 5.8.
ωs = ( 1 + R ) · ωc − R · ωr
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
R = rr /rs > 1
ωs
ωr
ωc
:
:
:
:
rapporto tra i raggi
velocità angolare dell’ingranaggio centrale
velocità angolare della ruota dentata
velocità angolare del porta satelliti
—– p. 46—–
(5.8)
Mobilità sostenibile
Quando il primo termine dell’equazione, ( 1 + R ) ωc , risulta essere più piccolo
rispetto al secondo,R ωc , e ciò accade alle basse velocità, la velocità del motore
elettrico, ωs , risulta essere negativa; mentre considerando l’equazione 5.7 la
coppia che agisce sul motore elettrico risulta essere positiva. Quindi il motore
elettrico presenta potenza negativa, equazione 5.9, e funziona pertanto come
un generatore.
Pm = Ts · ωs = Tc · ωc − Tr · ωr = Pt − Pe
(5.9)
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Pm
Pt
Pe
:
:
:
potenza del motore elettrico
potenza trasmessa
potenza del motore a combustione interna
A mano a mano che il veicolo incrementa la propria velocità il primo termine,
( 1 + R ) ωc , aumenta di valore fino a raggiungere il secondo termine,R ωc ,
quindi sia la velocità del motore elettrico,ωs sia la potenza,Pm , risultano nulle.
Con un ulteriore incremento di velocità del veicolo la velocità angolare del motore elettrico diventa positiva e, considerando l’equazione 5.10 dove le coppie
risultano proporzionali, anche la potenza del motore risulta essere positiva; in
questo caso il motore elettrico contribuisce alla trazione del veicolo.
Tr = R · Ts
(5.10)
• Modalità di coppia. Quando la frizione numero uno è innestata e il blocco numero due risulta agganciato alla ruota dentata sia l’ingranaggio centrale
( motore elettrico ) sia la ruota dentata esterna ( motore a combustione interna ) presentano la stessa velocità. Pertanto la velocità del porta satelliti,
equazione 5.11, risulta essere uguale alla velocità della ruota dentata e dell’ingranaggio centrale.
ωc =
ωs
R · ωr
+
= ωs = ωr
1+R 1+R
(5.11)
In questo caso la coppia in uscita risulta uguale alla somma delle altre due
coppie, equazione 5.12.
Tc = Ts + Tr
(5.12)
• Solo motore a combustione interna. Considerando nulla la velocità del
motore elettrico la velocità e la coppia del porta satelliti risultano forniti dalle
equazioni 5.13 e 5.14.
R
ωr
1+R
1+R
Tc =
Tr
R
ωc =
—– p. 47—–
(5.13)
(5.14)
Veicoli Ibridi
• Frenata rigenerativa. Durante la frenata il motore a combustione interna
viene sganciato e il motore elettrico funziona come generatore la coppia e la
velocità del motore elettrico risultano forniti dalle equazioni 5.15 e 5.16.
ωc =
1
ωs
1+R
Tc = ( 1 + R ) · Ts
(5.15)
(5.16)
• Avviamento del motore a combustione interna. Il motore a combustione interna può essere avviato per mezzo del motore elettrico disaccoppiando
il rotismo epicicloidale dal sistema di trasmissione la coppia e la velocità del
motore a combustione interna risultano forniti dalle equazioni 5.17 e 5.18.
1
ωs
R
Tr = R · Ts
ωr = −
5.3.3
(5.17)
(5.18)
Strategia di controllo
Con velocità del veicolo bassa viene utilizzato la prima modalità di funzionamento
( Modalità di velocità ) pertanto la macchina elettrica funziona come generatore e
parte della potenza fornita dal motore a combustione interna permette di ricaricare
il sistema di accumulo. Se la velocità risulta elevata il tipo di funzionamento viene
scelto in base alla potenza richiesta dal veicolo.
• Quando il veicolo richiede una grossa potenza, rispetto alla potenza che il
motore a combustione interna può fornire, viene utilizzata la trazione ibrida
ed entrambi i motori forniscono potenza.
• Quando il veicolo richiede una piccola potenza, rispetto alla potenza che il
motore a combustione interna può fornire, parte della potenza viene utilizzata
per ricaricare il sistema di accumulo a seconda del suo stato di carica, figura 5.6.
Figura 5.7: Funzionamento del veicolo in base allo stato di carica.
—– p. 48—–
Capitolo 6
Sistemi di accumulo
6.1
Introduzione
I sistemi di accumulo sono definiti come quei dispositivi che sono in grado di erogare
energia ( scarica ) e di acquisire energia dall’esterno ( carica ). Esistono vari tipi di
sistemi di accumulo che vengono proposti per i veicolo elettrici o ibridi e sono i
seguenti:
• Batterie chimiche
• Supercondensatori
• Volano ultraveloce
• Celle a combustibile
Ogni sistema di accumulo deve fornire delle specifiche tecniche, che possono essere:
energia specifica, potenza specifica, rendimento, durata dei requisiti, costi, sicurezza,
manutenzione. Per un veicolo ibrido la potenza specifica è più importante rispetto
all’energia specifica.
6.1.1
Combinazione di diversi sistemi di accumulo
Nel veicolo ibrido si trovano due o più sistemi di accumulo energetico cosı̀ che i
vantaggi di un sistema possono compensare gli svantaggi degli altri; infatti è possibile inserire due sistemi di accumulo: il primo con elevata densità di potenza
( batterie chimiche, celle a combustibile ), il secondo con elevata densità di potenza ( Supercondensatore, volano ultraveloce ) Le operazioni base di questo sistema
complesso vengono mostrate in figura 6.1. Per una elevata richiesta di potenza, per
esempio quando il veicolo presenta forti accelerazioni, entrambi i sistemi forniscono
la loro potenza al carico ( figura 6.1.a ). Per basse potenze richieste, per esempio
quando il veicolo funziona a velocità costante, il sistema con alta energia specifica
fornisce oltre alla potenza richiesta dal carico anche la potenza per ricaricare il sistema di accumulo ad elevata potenza specifica ( figura 6.1.b ). Durante la frenata
rigenerativa quasi tutta la potenza recuperata viene fornita al sistema di accumulo
ad elevata potenza specifica e solo in parte all’altro sistema; questo metodo consente un risparmio, in termini di costi, sul sistema di accumulo con elevata densità
di energia ( figura 6.1.c ).
49
Veicoli Ibridi
Figura 6.1: Azione combinata dei differenti sistemi di accumulo.
6.2
Batterie chimiche
Le batterie elettrochimiche, comunemente chiamate batterie, sono dispositivi elettrochimici in grado di convertire durante la fase di carica l’energia elettrica in energia
chimica mentre avviene il contrario durante la fase di scarica. Una batteria risulta composta da una serie di celle poste una vicina alle altre; ogni cella è un’unità
indipendente e completa che possiede tutte le proprietà elettrochimiche. La cella,
figura 6.2, consiste di tre elementi fondamentali: due elettrodi ( positivo e negativo )
immersi in un elettrolita ( terzo elemento ). Le specifiche tecniche di una batteria
sono:
• Ampere-ora. Definito come il numero di ampere forniti in un’ora quando
la batteria viene scaricata dal valore massimo di tensione, presente ai suoi
morsetti, fino al valore nullo di tensione, figura 6.3.
• Stato di carica ( SOC ). Si definisce stato di carica il rapporto percentuale
tra il valore energetico dopo la scarica ed il valore massimo.
—– p. 50—–
Mobilità sostenibile
Figura 6.2: Schema di principio della
batteria.
6.2.1
Figura 6.3: Andamento della tensione
di scarica.
Tecnologie
I modelli di batteria attualmente in commercio che possono essere utilizzati nei
veicoli ibridi sono: batterie al piombo, a base di nichel e a base di litio. In questo
momento sono le batterie al piombo che forniscono il miglior rapporto qualità prezzo mentre, nel medio e lungo termine, sembra che le batterie a base di nichel e
litio saranno le migliori candidate per la sostituzione di quelle al piombo.
6.2.1.1
Batterie al piombo
Le batterie al piombo, un prodotto di grande successo per oltre un secolo e ancora
utilizzate sui veicoli automobilistici e per altre applicazioni, presentano i seguenti
vantaggi: il basso costo, una tecnologia matura e un’alta capacità di potenza ed
un costo relativamente basso; caratteristiche richieste per la trazione dei veicoli
ibridi. Comunque presentano degli svantaggi come la bassa densità energetica e la
dipendenza della temperatura, infatti al di sotto di 10 ◦ C sia la potenza specifica
che l’energia specifica risultano alquanto ridotte. La presenza di acido solforico,
potenzialmente dannoso per gli occupanti del veicolo, e l’idrogeno rilasciato durante
la scarica costringono all’utilizzo di involucri con un buon livello di protezione. Nelle
ultime realizzazioni è stata incrementata sia la capacità energetica sia la durata a
scapito di un aumento dei costi.
6.2.1.2
Batterie a base di nichel
Il nichel è un metallo molto leggero ed ha delle buone proprietà elettrochimiche. Le
tre differenti tecnologie per costruire batterie al nichel sono di seguito elencate.
• Nichel - Ferro. Il sistema presenta come elettrodo positivo il nichel assieme
a dell’idrossido di nichel ( NiOOH ), per elettrodo positivo del metallo mentre
l’elettrolita è una soluzione concentrata di idrossido di potassio contenente
idrossido di litio; la cella è in grado di fornire, a circuito aperto, una tensione
—– p. 51—–
Veicoli Ibridi
pari a 1.37 V. Questo tipo di batterie soffrono per i gas prodotti durante la
reazione, la corrosione e la scarica a vuoto; comunque questi problemi sono
stati risolti dagli ultimi prototipi che hanno raggiunto il mercato. Il grande
vantaggio di queste batterie è l’elevata densità di potenza.
• Nichel- Cadmio. Il sistema presenta come elettrodo positivo il nichel assieme
a dell’idrossido di nichel ( NiOOH ), per elettrodo positivo il cadmio mentre
l’elettrolita una soluzione di idrossido di potassio e idrossido di litio; la cella
è in grado di fornire, a circuito aperto, una tensione pari a 1.3 V. Le batterie
al nichel - cadmio presentano i seguenti vantaggi: hanno una elevata potenza
specifica, funzionano bene in un ampio spettro di temperatura, un tempo di
ricarica breve, un valore di scarica a vuoto basso e una durata di vita elevata.
Presentano invece i seguenti svantaggi: un costo elevato, una bassa tensione
di cella e la cancerogenità del cadmio.
• Nichel - Idruri metallici ( Ni-MH ). Le batterie di questo tipo sono state
poste sul mercato nel 1992 e le loro caratteristiche sono molto simili a quelle
del nichel - cadmio. La principale differenza è nell’uso dell’idrogeno assorbito dall’idruro metallico per far funzionare l’elettrodo negativo. Al momento
attuale la tensione nominale della cella, a circuito aperto, risulta pari a 1.2
V presenta una energia specifica pari a 65 Wh/kg e una potenza specifica di
200 W/kg; presenta pertanto degli ottimi valori di energia e potenza specifica
assieme ad una elevata velocità di carica purtroppo con dei costi attuali assai
elevati.
6.2.1.3
Batterie a base di litio
Il litio è il metallo più leggero e presenta delle caratteristiche elettrochimiche interessanti che permettono di avere una energia e potenza specifica elevate. Le due
differenti tecnologie per costruire batterie al litio sono di seguito elencate.
• Litio - Polimeri ( Li - P ). Il sistema presenta come elettrodo negativo il
litio metallo mentre come elettrodo positivo un ossido dei metalli di transizione
( MyOz ) mentre come elettrolita viene utilizzato un polimero. L’ossido dei
metalli di transizione possiede una struttura nella quale gli ioni di litio possono
essere inseriti quando la batteria è in fase di carica ed essere rimossi quando è
in fase di scarica. Queste batterie presentano: una tensione nominale di cella
pari a 3 V una potenze e una energia specifica elevata ma soffrono le basse
temperature.
• Litio - Ioni di litio ( Li - Ion ). Questo tipo di batteria è considerata
la migliore soluzione per il futuro; presenta una tensione di cella, a circuito
aperto, presentano una tensione pari a 4 V una energia e potenza specifiche
elevate ma con una scarica a vuoto più grande rispetto alle altre batterie e un
costo decisamente più elevato.
—– p. 52—–
Mobilità sostenibile
Figura 6.4: Batterie per applicazioni automobilistiche.
6.3
Supercondesatore
Il profilo di carica e scarica presenta un andamento fortemente variabile a causa delle
frequenti partenze e frenate. Il valore medio della potenza richiesta dal sistema di
accumulo rispetto al valore di picco risulta decisamente basso a causa della potenza
richiesta per accelerare il veicolo; un rapporto attendibile tra il valore di picco e il
valore medio può essere prossimo a dieci. La difficoltà di avere in unico dispositivo
tutte le seguenti proprietà: potenza specifica elevata, energia specifica elevata e
durata di vita elevata suggerisce di suddividere il sistema di accumulo in più parti.
Il supercondensatore è caratterizzato da una elevata potenza specifica superiore ai
3 kW/kg ma con una bassa energia specifica dell’ordine di alcuni Wh/kg.
6.3.1
Comportamento di un supercondensatore
Il comportamento di un supercondensatore può essere rappresentato dalla tensione
ai propri terminali durante il fenomeno di carica o di scarica con valori differenti
di corrente. I parametri elettrici che descrivono un supercondensatore sono: la sua
capacità C, la resistenza serie Rs che caratterizza le perdite ohmiche e la resistenza in parallelo RL che rappresenta le perdite nel dielettrico; lo schema elettrico è
—– p. 53—–
Veicoli Ibridi
mostrato in figura 6.5.
Figura 6.5: Schema elettrico di un supercondensatore.
Il valore della tensione, ai terminali del supercondensatore, durante la scarica viene
determinata per mezzo dell’equazione 6.1.
Vt = Vc − Rs · i
(6.1)
Mentre la tensione ai capi della capacità è determinata per mezzo dell’equazione 6.2.
d Vc
i + iL
=−
dt
C
(6.2)
Dove con C si intende la capacità del supercondensatore. Il valore della corrente
che percorre la resistenza RL , rappresentante le perdite dielettriche, è data dall’equazione 6.3.
iL =
Vc
RL
(6.3)
Sostituendo nell’equazione 6.2 il valore trovato nell’equazione 6.3 si ottiene l’equazione 6.4 che fornisce il valore della tensione ai capi della capacità in funzione
della corrente erogata dal supercondensatore.
d Vc
Vc
i
=
−
dt
RL · C
C
(6.4)
L’equazione 6.4 può essere rappresentato con il diagramma a blocchi di figura 6.6.
La soluzione dell’equazione 6.4 è fornita dall’equazione 6.5 dove la corrente di scarica
i è una funzione del tempo.
·
¸
Z t
t
i C Rt
Vc = Vco
(6.5)
e L d t e C RL
0 C
—– p. 54—–
Mobilità sostenibile
Figura 6.6: Diagramma a blocchi del supercondensatore.
La caratteristica di scarica di un supercondensatore Maxwell 2600F, mostrata in
figura 6.7, fornisce il valore della tensione ai capi della capacità in funzione del
tempo al variare della corrente di scarica; per piccole correnti la tensione scende
lentamente mentre per correnti elevate scende rapidamente.
Figura 6.7: Caratteristica di scarica di un supercondensatore modello Maxwell
2600F.
Il rendimento del supercondensatore durante la scarica e la carica viene espresso
mediante le equazioni 6.6 e 6.7.
ηd =
Vt · It
(VC − Rs · It ) It
=
VC · IC
VC (It + IL )
ηC =
VC IC
VC (It − IL )
=
Vt It
(VC + RS It ) It
—– p. 55—–
Scarica
(6.6)
Carica
(6.7)
Veicoli Ibridi
La corrente che percorre la resistenza RL risulta essere molto piccola, dell’ordine dei
mA, pertanto nella determinazione del rendimento può essere trascurata.
ηd =
VC − RS It
Vt
=
VC
VC
Scarica
(6.8)
ηC =
VC
VC
=
VC + RS It
Vt
Carica
(6.9)
In figura 6.8 viene mostrato l’andamento del rendimento di un supercondensatore
durante la scarica in funzione della tensione sulla capacità e al variare della corrente.
Figura 6.8: Rendimento durante la scarica di un supercondensatore modello Maxwell
2600F.
L’energia accumulata in supercondensatore può essere facilmente determinata per
mezzo dell’equazione 6.10.
Z t
Z t
1
EC =
V C IC d t =
C VC d VC = C VC2
(6.10)
2
0
0
—– p. 56—–
Mobilità sostenibile
6.3.2
Tecnologie
Le specifiche tecniche per una serie di supercondensatori vengono mostrate in figura 6.9
Figura 6.9: Specifiche tecniche di supercondensatori Maxwell.
6.4
Volano ultraveloce
Un volano ultraveloce risulta essere un mezzo in grado di soddisfare le rigorose
richieste dei veicoli elettrici e ibridi; infatti presentano: alta energia specifica, alta
potenza specifica, un lungo ciclo di vita, un rendimento elevato, una rapidità di
ricarica, facilità di manutenzione, costi bassi ed ecologicamente compatibile.
6.4.1
Principi di base di un volano ultraveloce
In un volano l’energia immagazzinata risulta essere di tipo cinetico e può determinarsi per mezzo dell’equazione 6.11.
1
Jf ωf2
2
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Ef =
Jf
ωf
:
:
(6.11)
momento d’inerzia di massa [ kg · m2 /s ]
velocità angolare del volano [ rad/s ]
L’equazione 6.11 indica che aumentando la velocità angolare del volano è possibile
aumentare l’energia cinetica immagazzinata e ridurne il peso e il volume. Con le
—– p. 57—–
Veicoli Ibridi
attuali tecnologie è difficile accoppiare direttamente il volano al sistema di trasmissione in quanto si dovrebbe avere un sistema di trasmissione con un ampio rapporto
di riduzione delle marce. Quindi si accoppia direttamente o per mezzo di un sistema di trasmissione una macchina elettrica e l’insieme dei due elementi costituisce
una sorta di batteria meccanica; la macchina elettrica pertanto funziona come una
porta energetica che converte l’energia meccanica in energia elettrica e viceversa, lo
schema del sistema è rappresentato in figura 6.10.
Figura 6.10: Struttura base di un volano ultraveloce.
Nell’equazione 6.11 l’energia cinetica immagazzinata risulta proporzionale al momento d’inerzia di massa determinandolo per mezzo dell’equazione 6.12.
Z
Jf = 2π ρ
R2
W ( r ) · r3 d r
(6.12)
R1
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
ρ
W (r)
:
:
densità di massa del materiale
spessore del volano in corrispondenza del raggio r ( figura 6.11 ).
Figura 6.11: Tipica geometria di un volano ultraveloce.
—– p. 58—–
Mobilità sostenibile
6.4.2
Potenza di un volano ultraveloce
La potenza, equazione 6.13, che il volano è in grado di fornire si determina differenziando, rispetto al tempo, l’equazione 6.11.
d Ef
d ωf
= Jf ωf
= ωf Tf
dt
dt
I termini presenti nell’equazione hanno i seguenti significati:
Pf =
Tf
:
(6.13)
coppia prodotta dal motore elettrico [ N ]
L’equazione 6.13 indica che la potenza del volano dipende completamente dalla
potenza della macchina elettrica. La caratteristica della macchina, figura 6.12,
presenta due regioni differenti: la prima a coppia costante la seconda a potenza
costante. Nella prima zona, a coppia costante, la tensione della macchina elettrica
è proporzionale alla velocità angolare mentre il flusso al traferro rimane costante.
Nella seconda zona la potenza e la tensione rimangono costanti mentre il flusso al
traferro diminuisce all’aumentare della velocità.
Figura 6.12: Coppia e tensione del motore elettrico.
Durante la carica del volano che consiste nell’accelerarlo da una velocità bassa, ω0 ,
fino alla massima velocità consentita, ωmax , la coppia che la macchina elettrica può
fornire è data dall’equazione 6.14.
d ωf
(6.14)
dt
Supponendo che la macchina elettrica sia direttamente connessa al volano il tempo
necessario per accelerare il volano è data dall’equazione 6.15.
Z ωb
Z ωb
Z ωmax
Jf
Jf
Jf
dω =
ω+
dω
(6.15)
t=
Tm
ω0 pm / ωb
ωmax pm / ω
ω0
Tm = Jf
—– p. 59—–
Veicoli Ibridi
Per un determinato tempo t la massima potenza che la macchina elettrica deve
essere dimensionata può essere stimata per mezzo dell’equazione 6.16.
Pm =
¢
Jf ¡ 2
2
ωb − 2 ω0 ωb + ωmax
2t
(6.16)
La potenza può essere minimizzata progettando la macchina in maniera tale che la
velocità di base ωb coincida con la minima velocità del volano. Quindi la potenza di
dimensionamento della macchina elettrica è data dall’equazione 6.17.
Pm =
6.4.3
¢
Jf ¡
ωmax 2 − ω0 2
2t
(6.17)
Tecnologie
Sebbene sia possibile aumentare l’energia cinetica immagazzinata aumentando la
velocità di rotazione esiste un limite, per la velocità, che non è possibile oltrepassare per non avere lo sforzo prodotto dalla forza centrifuga superiore al carico di
rottura. Il massimo sforzo tollerabile dal volano dipende: dalla geometria, dalla
densità specifica ρ e dalla velocità di rotazione. Le migliori costruzioni si ottengono
utilizzando materiali che presentano un elevato rapporto σ/ρ ( carico di rottura /
densità specifica ); in figura 6.13 vengono elencati alcuni materiali compositi utilizzati nella costruzione dei volani.
Figura 6.13: Materiali per la costruzioni dei volani.
Per migliorare le prestazioni ogni singola parte deve essere progettata in modo tale
da raggiungere il massimo delle prestazioni avvicinandosi quindi ai loro limiti strutturali; questo comporta un decremento dello spessore del volano ed un aumento del
raggio. Per ridurre invece l’attrito dell’aria viene effettuato, all’interno dell’involucro
dove il volano si muove, un vuoto spinto e inoltre l’albero non viene sostenuto con
dei normali cuscinetti a sfera ma bensı̀ con dei cuscinetti magnetici, figura 6.14.
La macchina elettrica è la parte più importante del sistema. Possono venire utilizzati motori a magneti permanenti, figura 6.15, che presentano un’alta potenza
specifica e un alto rendimento oppure motori a variazione di riluttanza, figura 6.16,
che presentano oltre ad una struttura semplice anche un rendimento elevato alle alte
velocità.
—– p. 60—–
Mobilità sostenibile
Figura 6.14: Struttura di un tipico volano-ultraveloce.
Figura 6.15: Rotore di un motore a magneti permanenti interni.
Figura 6.16: Statore e rotore di un motore a variazione di riluttanza.
—– p. 61—–
Veicoli Ibridi
6.5
Celle a combustibile
La tecnologia delle celle a combustibile per la generazione dell’energia si inserisce in
un contesto più ampio che comprende tutto il settore energetico e la rivoluzione che
lo riguarderà nel prossimo futuro. Si tratta del passaggio da un’economia basata
sulle fonti fossili a una basata sull’idrogeno.
6.5.1
Caratteristiche generali e produzione
Le ragioni per cui l’idrogeno è sostanzialmente l’unico riducente usato nelle celle a
combustibile ( ad eccezione delle celle a metanolo diretto, DMFC ) risiedono:
• Nella sua reattività elettrochimica a temperatura anche al di sotto dei 300◦
C rispetto ai più comuni combustibili dai quali esso è derivato ( idrocaarburi,
alcool e carbone )
• Nella assoluta assenza di sostanze inquinanti emesse nella conversione elettrochimica dell’energia quando si usi ossigeno puro come ossidante.
Le principali caratteristiche dell’idrogeno vengono riportate in tabella 6.1 mentre in
tabella 6.2 vengono confrontati con l’idrogeno vari tipi di combustibili.
Tabella 6.1: Principali caratteristiche chimico - fisiche riguardanti l’idrogeno.
Grandezza
Potere calorifico inferiore
Potere calorifico superiore
Densità
Punto di ebollizione
Indice di Wobbe inferiore
Indice di Wobbe superiore
Calore specifico
Coefficiente di diffusione
Contenuto energetico
( Potere calorifico inferiore )
Valore
3.00 kW h/N m3
33.33 kW h/kg
3.54 kW h/N m3
39.41 kW h/kg
0.0899 kg/N m3
20.380 K( 0.1013M P a )
11.361 KW h/N m3
13.428 KW h/N m3
cp = 14.199J/(kgK)
0.61cm2 /s
1 N m3 di idrogeno =
1 kg di idrogeno =
Valore
10.8 M J/N m3
120 M J/kg
12.75 M J/N m3
141.86M J/kg
70.79 kg/m3
40.898 M J/N m3
48.340 M J/N m3
cv = 10.074J/(kgK)
0.34 l di benzina
2.75 kg benzina
I vantaggi ambientali nell’uso dell’idrogeno come combustibile in motori o turbine
a gas risiedono nelle quantità davvero limitate di emissioni inquinanti. Eventuali
tracce di idrocarburi o CO sono da attribuirsi esclusivamente alla combustione di
olio lubrificanti del motore. L’unica emissione nociva sarebbero gli N OX , dovuti
all’elevata temperatura a cui avviene il processo di combustione: si pensa di poter intervenire con combustione più magre o introducendo una quantità di azoto o
di idrogeno liquido ( 20 K ). Nella conversione elettrochimica dell’idrogeno attuata
nelle celle a combustibile le emissioni vengono addirittura azzerate.
—– p. 62—–
Mobilità sostenibile
Tabella 6.2: Dati di confronto fra diversi combustibili.
Grandezza
Densità del gas [kg/m3 ]
Calore di vaporizzazione [J/g]
Potere calorifico inferiore [kJ/g]
Potere calorifico superiore [kJ/g]
Limiti di infiammabilità in aria [vol%]
Limiti di detonazione in aria [vol%]
Energia di attivazione in aria [mJ]
Energia di esplosione [gT N T /g]
Energia di esplosione [gT N T /m3 ]
Idrogeno
0.084
445.6
119.93
141.8
4.0-75
18.3-59
0.02
24
2.02
Metano
0.65
509.9
50.02
55.3
5.3-15
6.3-13.5
0.29
11
7.03
Propano
0.42
46.35
50.41
2.1-9.5
0.26
10
20.5
Benzina
4.4
250-400
44.5
48
1-7.6
1.1-3.3
0.24
10
44.2
L’idrogeno deve essere prodotto in quanto in natura questo elemento praticamente
non esiste come molecola singola. Il gas può essere prodotto da una varietà di sorgenti: dalle fonti primarie, come i combustibili fossili ( idrocarburi, carbone e petrolio ), da composti chimici intermedi ( prodotti di raffineria, ammoniaca, metanolo )
e da fonti alternative come le biomasse e il biogas. Si può produrre anche da fonti
secondarie come l’energia elettrica tramite il processo di elettrolisi dell’acqua. La
figura 6.17 riporta un quadro di sintesi delle diverse possibilità tecniche attualmente
disponibili per ricavare l’idrogeno a partire dalle fonti energetiche. Attualmente
l’idrogeno non viene praticamente commercializzato ai fini della produzione energetica; esiste un mercato dell’industria che coinvolge prevalentemente raffinerie e
industrie chimiche. Per avere un’idea delle quantità attualmente prodotte nel mondo in relazione alle diverse fonti si veda la tabella 6.3. La tabella 6.4 invece illustra
i quantitativi teorici di energia necessari per la produzione di idrogeno a partire da
diverse fonti, nonchè i sottoprodotti tipici dei processi di trasformazione.
Tabella 6.3: Produzione mondiale per fonte ( dati 1998 ).
Fonte
Gas Naturale
Petrolio
Carbone
Elettrolisi
Totale
Produzione di idrogeno in miliardi Nm3 /anno
240
150
90
20
500
Percentuale
48 %
30 %
18 %
4%
100 %
È fondamentale chiarire che più del 90% dell’idrogeno attualmente utilizzato nei processi industriali viene prodotto dagli utilizzatori stessi ( raffinerie e industrie chimiche
soprattutto ), mentre solo una piccola quota, corrispondente al 6% - 9%, viene appositamente prodotta (: per lo più da aziende distributrici di gas naturale ) per
coprire la domanda di quie settori industriali per i quali non risulta conveniente la
produzione in proprio. Se parliamo di produzione, di quel 90% di idrogeno utiliz-
—– p. 63—–
Veicoli Ibridi
Tabella 6.4: Energia necessaria per la produzione dell’idrogeno ( valori teorici ).
Sottoprodotti
Produzione
specifica di
[kmol/kmolH2 ]
Consumo di
energia
[kJ/kmolH2 ]
Gas
Naturale
CO2
GPL
Nafta
CO2
CO2
0.25
0.30
0.32
41280
37500
Olio
combustibile
CO2 /S
0.37/
Carbone
Acqua
CO2 /S
0.43/
O2
0.003-0.0015
0.002-0.001
59300
57150
0.5
38350
242000
zato dagli stessi produttori una buona parte ( circa 38% ) viene soddisfatta senza
ricorrere a impianti appositi poichè spesso, per tali soggetti utilizzatori, l’idrogeno
rappresenta un inevitabile coprodotto dei propri processi chimici. Ma la restante
parte ( 62% ) viene soddisfatta con impianti appositamente realizzati: steam reforming del metano, ossidazione parziale di idrocarburi pesanti e carbone ed elettrolisi dell’acqua sono i processi maggiormente sviluppati. Nell’ottica dell’impiego
dell’idrogeno nel settore energetico occorre prevedere una crescente diffusione delle
tecnologie di produzione, soprattutto di quelle che sfruttano unicamente fonti rinnovabili, in quanto altrimenti verrebbero meno alcune tra le principali motivazioni
dell’utilizzo dell’idrogeno, quali la compatibilità ambientale e la realizzazione di un
ciclo perfettamente rinnovabile. La prima fase di transizione, in cui l’idrogeno comincerà a diffondersi in campo energetico attraverso la produzione da fonti fossili
tradizionali( processi meno costosi e più maturi oggi ); tali sistemi, ricordiamolo,
oltre all’intrinseco svantaggio di basarsi su fonti esauribili, sono anche responsabili
di emissioni di gas serra ( CO2 ) e altri inquinanti.
—– p. 64—–
Figura 6.17: Diversi modi di produzione dell’idrogeno dalle varie fonti.
Mobilità sostenibile
—– p. 65—–
Veicoli Ibridi
6.5.1.1
Emissioni inquinanti
In generale le celle combustibili usano come combustibili sostanzialmente H2 e CO,
emettendo solamente acqua e anidride carbonica. Le emissioni inquinanti di un sistema a celle combustibile derivano quindi esclusivamente dal sistema di trattamento
del combustibile e dipendono dal tipo di combustibile e dal tipo di processo, essendo
queste sempre inferiori a quelle di un generatore convenzionale. Occorre inoltre considerare l’emissione di CO2 che, seppur non essendo un inquinante in senso stretto,
contribuisce all’effetto serra.
Qui riportiamo brevemente i risultati riguardo l’analisi WTW ( Well to Wheels, Dal
pozzo alle ruote ) di alcuni tipi di motorizzazione per autoveicoli. Tale tipo di analisi
si prefigge di valutare in maniera globale ogni tipo di propulsione, esaminando le efficienze e le emissioni legate sia alla produzione e trasporto del combustibile ( WTT,
Well to tank, Dal pozzo al serbatoio ) sia al funzionamento del veicolo ( WTT, Tank
to Wheels, Dal serbatoio alle ruote ). Un esempio di analisi WTT per il gas naturale
e per l’idrogeno e il metanolo da esso derivabili è riportato in figura 6.18.
Figura 6.18: Risultati dell’analisi WTT per alcuni combustibili derivabili dal
metano.
Assumendo come riferimento le emissioni globali di CO2 di una vettura con motore
a combustione interna a benzina, la figura 6.19 riporta i confronti fra le emissioni
di diverse tipologie di propulsione: si vede che le vetture a fuel cells non sono le
migliori in assoluto, dipendendo dal tipo di combustibile di partenza e dal tipo di
stoccaggio dell’idrogeno. In generale la migliore è quella che prevede la produzione di
idrogeno in stazioni centrali mediante steam reforming del metano e la distribuzione
agli autoveicoli sotto forma di gas compresso.
6.5.2
Applicazioni Veicolari
In passato ( ed in parte ancora oggi ) sono state sperimentate celle di diverso tipo,
tuttavia sono proprio le polimeriche quelle su cui si concentrano i maggiori sforzi,
proprio grazie alle loro caratteristiche di estrema compattezza ed elevata densità di
—– p. 66—–
Mobilità sostenibile
Figura 6.19: Analisi WTW, confronto WTT e TTW tra diverse motorizzazioni:
produzione di anidride carbonica.
potenza. Nel 1994 il DoE ( Dipartement of Energy USA ) aveva iniziato a finanziare
un programma di ricerca per lo sviluppo di sistemi ad alta efficienza e con emissioni
molto basse o nulle. Il programma, rivisto nel 2001 prevede l’ottimizzazione di
stack, reformer per il combustibile e di tutto il sistema completo. Gli obiettivi da
raggiungere alla fine del decennio sono riportati nelle tabelle 6.5, 6.6, 6.7.
Tabella 6.5: Sistema integrato da 50 kW alimentato a benzina, stato della tecnologia
e obiettivi.
Caratteristica
Efficienza al 25% potenza di picco, %
Efficienza alla potenza di picco, %
Densità di potenza, W/l
Potenza specifica, W/kg
Costo $/kW
Risposta nei transitori ( 10-90 % pot. max ), s
Tempo di avviamento ( -20◦ C a pot. max ), s
Tempo di avviamento ( 20◦ C a pot. max ), s
Temperatura min. ammissibile, ◦ C
Emissioni
Durata, h
Stato Attuale
40
33
250
250
125
5
2
¡1
-30
¡ Tier2
4000
2010
45
35
325
325
45
1
1
¡ 0.5
-40
¡ Tier2
5000
Negli USA è partito, a gennaio 2002, un nuovo programma di ricerca, il FreedomCAR
che ha l’obiettivo di sviluppare veicoli a basso impatto ambientale ma equivalenti,
in termini di prestazioni e costi, ai veicoli già sul mercato. Analizziamo nel seguito
più nel dettaglio i progressi fatti dalle diverse organizzazioni, prima a livello di stack
e quindi di prototipi di veicoli.
—– p. 67—–
Veicoli Ibridi
Tabella 6.6: Sistema integrato da 50 kW alimentato da idrogeno da reformer, stato
della tecnologia e obiettivi.
Caratteristica
Efficienza al 25% potenza di picco, %
Efficienza alla potenza di picco, %
Densità di potenza, W/l
Potenza specifica, W/kg
Costo $/kW
Risposta nei transitori ( 10-90 % pot. max ), s
Tempo di avviamento ( -20◦ C a pot. max ), s
Tempo di avviamento ( 20◦ C a pot. max ), s
Temperatura min. ammissibile, ◦ C
Tolleranza al CO ( stato stazion. ),ppm
Tolleranza al CO ( transitori ), ppm
Stato Attuale
50
42
400
400
100
2
2
0.5
-30
500
500
2010
55
44
550
550
35
1
0.5
0.25
-40
500
1000
Tabella 6.7: Sistema integrato da 50 kW alimentato direttamente a idrogeno, stato
della tecnologia e obiettivi.
Caratteristica
Efficienza al 25% potenza di picco, %
Efficienza alla potenza di picco, %
Densità di potenza, ( escluso stoccaggio H2 ), W/l
Densità di potenza, ( incluso stoccaggio H2 ), W/l
Potenza specifica ( escluso stoccaggio H2 ), W/kg
Potenza specifica ( incluso stoccaggio H2 ), W/kg
Costo ( incluso stoccaggio H2 ), $/kW
Risposta nei transitori ( 10-90% pot. max ), s
Tempo di avviamento ( -20◦ C a pot. max ), s
Tempo di avviamento ( 20◦ C a pot. max ), s
Temperatura min. ammissibile, ◦ C
Emissioni
Durata, h
—– p. 68—–
Stato Attuale
60
50
500
150
500
250
125
2
60
30
-30
0
2000
2010
60
50
650
220
650
325
45
1
30
15
-40
0
5000
Mobilità sostenibile
6.5.2.1
Ballard Power System Inc. / Xcellsis ( USA/CANADA )
La Ballard costruisce stack per impieghi veicolari per le maggiori case automobilistiche; nel 2000 aveva presentato uno stack della potenza di 75 kWel in grado di operare sia con idrogeno che con metanolo, con densità di potenza notevoli
( 1.31 kWel ). L’azienda propone diversi sistemi per la motorizzazione di veicoli leggeri ( autoveicoli ) e pesanti ( autobus e autotreni ), che mantengono la necessaria
flessibilità per essere adattati alle diverse specifiche che ogni casa automobilistica
richiede. In particolare, vengono proposti due sistemi per i veicoli leggeri, uno a
idrogeno e l’altro a metanolo, e uno per veicoli pesanti a idrogeno.
Modulo XCELLSIS HY-75 per applicazioni su automobili, funzionante ad
idrogeno gassoso ( 1-4 bar ), potenza nominale 68 kWel a 250 Vdc, rendimento elettrico massimo 50% ( LHV ),aria compressa a 1-4 bar, sistema di raffreddamento ad
acqua glicolata.
Modulo XCELLSIS ME-75 per applicazioni su automobili, funzionante ad
metano liquido a temperatura e pressione
ambiente, potenza nominale 58 kWel a 250
Vdc, rendimento elettrico dal 41% al 32%
( LHV ),aria compressa a 1-6 bar, sistema
di raffreddamento ad acqua glicolata.
Modulo XCELLSIS HY-205 per applicazioni su autobus e camion normalmente funzionanti a diesel, funzionante ad
idrogeno gassoso ( 12 bar ), potenza nominale 190 kWel a 2100 rpm, coppia massima
all’albero 1050 Nm a 800 rpm, sistema di
raffreddamento ad acqua glicolata.
Ballard ha realizzato numerosi prototipi di autobus, di seguito si riportano le principali tappe dello sviluppo.
ALIMENTATI A IDROGENO
Nebus, 205 kW ( 1999 )
È stato il primo autobus realizzato da Ballard/DaimlerChrysler a essere testato su
strada per verificare la fattibilità dell’applicazione delle fuel cells nel campo dei
veicoli pesanti.
P3 bus, 205 kW ( 1999 )
Tre bus a Chicago e tre a Vancouver sono
stati testati in esercizio quotidiano per un
arco di tempo di due anni. Nel complesso, i sei bus hanno viaggiato per 118000
km e oltre 200000 passeggeri hanno potuto provarne i benefici della tecnologia delle
fuel cells.
—– p. 69—–
Veicoli Ibridi
ZEbus, 205 kW
Zebus è stato presentato nell’ottobre 1999 ed è stato testato per un
anno dalla SunLine Transit Agency a Thousand Palms, California,
nell’ambito del California Fuel Cell
Partnership.
Citaro Fuel Cell Bus, 205 kW ( 2002 )
XCELLSIS consegnò 30 sistemi per bus Mercedes Benz Citaro in dieci città europee nel 2003.
Il veicolo, lungo 12 metri, trasporta 70 persone e
ha un’autonomia di 200 km grazie alle bombole
di idrogeno compresso sistemate sul tetto.
ALIMENTATI A METANOLO
Georgetown Bus, 100 kW
Dopo aver realizzato alcuni prototipi con celle ad acido fosforico nella seconda metà
degli anni ’90, nel dicembre 2001 Georgetown University ha presentato un autobus
con stack PEM della Ballard/XCELLSIS da 100 kW alimentato a metanolo.
6.5.2.2
DaimlerChrysler e General Motors/Opel
VETTURE ALIMENTATE A IDROGENO
Mercedes Sprinter, idrogeno, 75 KW ( 2001 )
La società di consegna della posta Hermes Versand Service ha testato la vettura
nelle condizioni operative di uso quotidiano per due anni nella città di Amburgo,
Germania. Le caratteristiche del veicolo sono: autonomia 150 km circa, velocità
massima 120 km/h, motore elettrico da 55 kW. Durante il primo anno di esercizio
il furgone ha viaggiato per oltre 16000 km.
Natrium; Idrogeno, ( 2001 )
Il veicolo è nato per dimostrare la fattibilità del metodo di generazione dell’idrogeno
Hydrogen On Demand, basato sulla reazione dell’idruro di sodio su un catalizzatore.
L’autonomia dichiarata è di 500 km, la velocità massima di 129 km/h.
Necar 4 Advanced, Idrogeno gassoso, 75 kW ( 1999 )
È la versione avanzata del modello NECAR 4 messa a punto per i test su flotte
dei veicoli del California Fuel Cell Partnership. Rispetto al NECAR 4 l’idrogeno è
conservato in fase gassosa, permettendo un’autonomia di 200 km.
Necar 4 Advanced, Idrogeno liquido, 70 kW ( 1999 )
È il primo prototipo in cui si è riusciti a sistemare l’unità a fuel cells interamente nel
sandwich floor della vettura. Il veicolo viaggia ad idrogeno liquido, con autonomia
di 450 km e la velocità massima di 145 km/h, lasciando all’interno spazio sufficiente
per cinque persone e bagaglio.
Necar 2, Idrogeno liquido, 50 kW ( 1996 )
Capace di trasportare sei passeggeri, il sistema fuel cells in questo veicolo era abbastanza piccolo da poter essere messo sotto i sedili posteriori, mentre le bombole
di idrogeno erano piazzate sul tetto della vettura. Autonomia di 250 km e velocità
massima di 100 km/h.
Necar 1, Idrogeno liquido, 50 kW ( 1996 )
È stato il primo veicolo realizzato, una specie di laboratorio su strada, che però ha
dimostrato la fattibilità tecnica di un veicolo passeggeri alimentato da una fuel cells.
Il sistema fuel cells motorizzazione occupava tutto lo spazio, lasciando libero solo il
posto guidatore e per un passegero.
—– p. 70—–
Mobilità sostenibile
HydroGen 1
Nel 2000 è stato presentato invece HydroGen 1, una Zafira alimentata a idrogeno
liquido in cui l’ingombro dello stack è praticamente paragonabile a quello di un
tradizionale motore a scoppio. Monta un motore elettrico trifase da 55 kWel , raggiunge una velocità massima di 140 km/h con un’autonomia di 400 km. Lo stack
è formato da 200 celle collegate in serie e ha dimensioni pari a 590 × 270 × 500
mm, una potenza continua di 80 kWel e di picco di 120 kWel . L’idrogeno liquido è
trasportato a -253◦ C in un serbatoio da 75 litri. Le HydroGen 3 ha ulteriormente
migliorato le caratteristiche dello stack ( 94 kWel continui e 129 di picco ), riducendo i pesi e gli ingombri, tanto da ottenere lo stesso volume di carico della Zafira in
produzione.
VETTURE ALIMENTATE A METANOLO
Necar 5, Metanolo, 75 kW ( 2000 )
Presentata in novembre 2000 a Berlino, questa Mercedes Benz Classe A, successore
della NECAR 3, raggiunge velocità massime di 150 km/h ma, rispetto al modello
precedente, ha ridotto del 50 % l’ingombro e di 300 kg il peso della motorizzazione.
Jeep Commander, Metanolo, 75 kW ( 2000 )
Veicolo della classe sportiva ( Sport Utility Vehicle, SUV ), realizzato per dimostrare
la adattabilità di una motorizzazione a fuel cells anche a questo tipo di veicoli.
Necar 3, Metanolo, 50 kW ( 1997 )
È stata la prima autovettura a fuel cells alimentata a metanolo liquido con reformer
a bordo, capace di raggiungere la velocità massima di 120 km/h e di trasportare due
passeggeri.
6.5.2.3
Ford Motor Co.
Vengono di seguito presentati i principali modelli di auto a fuel cells a oggi sviluppati
dall’azienda americana; anch’essa prevede di iniziare la prima produzione di serie
nel 2004, ma la vendita al pubblico non è prevista prima del 2010.
Combustibile:
Velocità massima:
Ford P2000 ( 1998 )
Autonomia:
Stack:
Idrogeno gassoso
128 km/h
160 km
Ballard Mark 700
Combustibile:
Focus FC5 ( 2000 ) Velocità massima:
Stack:
Metanolo con reformer a bordo
128 km/h
Ballard Mark 901
Combustibile:
Velocità massima:
Focus FCV ( 2002 )
Autonomia:
Stack:
Idrogeno gassoso compresso a 340 bar
128 km/h
250-300 km
Ballard Mark 902, 85 kWel
—– p. 71—–
Veicoli Ibridi
Combustibile:
Mazda Premacy ( 2002 ) Velocità massima:
Stack:
6.5.2.4
Metanolo con reformer a bordo
124 km/h
Ballard Mark 901
Honda
Da lungo tempo impegnata nelle ricerca nel campo delle fuel cells, Honda è oggi
arrivata alla quarta generazione di veicoli con la FCX-V4.
FCX-V1 ( 1999 )
Combustibile:
Motore elettrico:
Stack:
Idrogeno immagazzinato in serbatoio ad idruri metallici
Sincrono AC a magneti permanenti, 49 kW
Ballard, 60 kWel
FCX-V2 ( 1999 )
Combustibile:
Motore elettrico:
Stack:
Metanolo con reformer a bordo
Sincrono AC a magneti permanenti, 49 kW
Ballard, 60 kWel
FCX-V3 ( 2000 )
Combustibile:
Capacità serbatoio:
Motore elettrico:
Stack:
Velocità massima:
Autonomia:
Peso veicolo:
Idrogeno gassoso stoccato a 250 atm
100 litri
Sincrono AC a magneti permanenti, coppia massima 238 Nm
Ballard, 62 kWel
130 km/h
180 km
1750 kg
Il veicolo ha una motorizzazione più compatta che consente 4 posti; inoltre monta un ultracapacitor al posto delle batterie, consentendo maggiori accelerazioni con
partenza in salita.
FCX-V3 ( 2000 )
Combustibile:
Capacità serbatoio:
Motore elettrico:
Stack:
Velocità massima:
Autonomia:
Peso veicolo:
Idrogeno gassoso stoccato a 350 atm
130 litri
Sincrono AC a magneti permanenti, coppia massima 238 Nm
Ballard, 78 kWel
140 km/h
300 km
1740 kg
Rispetto al modello precedente sono stati migliorati aspetti riguardanti la sicurezza, l’autonomia, la velocità massima e lo spazio disponibile. La vettura è la prima
al mondo ad aver raggiunto la certificazione come ZEV ( Zero Emission Vehicle )
da parte del CARB ( California Air Resources Board ) e dell’EPA ( Enviromental
Protection Agency, USA ).
—– p. 72—–
Mobilità sostenibile
6.5.2.5
Toyota Motor
Nel 2001 la casa giapponese ha presentato tre diversi modelli di prototipo di vettura
a fuel cells basati sulla Kluger V in Giappone e sulla Highlander negli USA. A
partire dalla fine del 2002 sono iniziate le prime vendite di veicoli in serie che sono
disponibili solo per aziende partner ed enti di ricerca.
FCHV-3 ( Marzo 2001 )
Combustibile:
Motore elettrico:
Stack:
Velocità massima:
Autonomia:
Idrogeno stoccato in idruri metallici
Sincrono magneti permanenti, coppia massima 260 Nm
Tecnologia Toyota, 90 kWel
150 km/h
300 km
FCHV-4 ( Marzo 2001 )
Combustibile:
Motore elettrico:
Stack:
Velocità massima:
Autonomia:
Idrogeno gassoso stoccato in bombole
Sincrono magneti permanenti, coppia massima 260 Nm
Tecnologia Toyota, 90 kWel
150 km/h
250 km
FCHV-5 ( Settembre 2001 )
Combustibile:
Motore elettrico:
Stack:
Velocità massima:
Autonomia:
Idrogeno ricavato da reformer a bordo
Sincrono magneti permanenti, coppia massima 260 Nm
Tecnologia Toyota, 90 kWel
150 km/h
250 km
—– p. 73—–
Veicoli Ibridi
—– p. 74—–
Parte II
Soluzioni Commerciali
75
Capitolo 7
Veicoli Commerciali
7.1
Evoluzione del mercato
Il trend di vendita dei veicoli ibridi nel mercato statunitense sembra che abbia
assunto un andamento inarrestabile infatti:
• Nel 1999 sono state vendute negli USA 17 auto ibride.
• Nel 2004 sono state vendute 88.000 auto ibride (di cui 54.000 PRIUS).
• Nel 2006 si prevede la vendita di 260.000 auto ibride.
L’ibrido infatti rappresenta una tappa fondamentale nell’evoluzione del powertrain
può quindi considerarsi una tecnologia ponte. L’andamento temporale dello sviluppo
tecnologico del powertrain può essere rappresentato come in figura 7.1; non esistono,
al momento, dubbi che la soluzione powertrain di lungo periodo sia rappresentata
dalle celle a combustibile che alimentino un motore elettrico si assisterà, pertanto,
ad una progressiva elettrificazione dell’automobile. L’ibrido non rappresenta una
strada alternativa ma bensı̀ una tecnologia che può integrare assieme tutte le altre.
In questo contesto i motori benzina, diesel, CNG ( Bifuel ) per ridurre ulteriormente
i consumi, incorporeranno alcune tecnologie proprie dell’ibrido; tale scelta verrà portata avanti per un breve - medio periodo.
Figura 7.1: Andamento dello sviluppo tecnologico.
77
Veicoli Ibridi
Per definire le prospettive di mercato dell’ibrido è necessario confrontarne vantaggi
e costi con le possibili alternative. L’ibrido, infatti, compete indirettamente con
le altre migliorie apportabili ai motori benzina, diesel e CNG ( Bifuel ). Il grafico
di figura 7.2 confronta il consumo di energia e le emissione di anidride carbonica
( CO2 eq ) per auto convenzionali, ibride a benzina e alimentate con CNG.
Figura 7.2: Consumi ed emissioni dei vari modelli ( Europa 2004 ).
( Il grafico è costruito calcolando il costo in termini di energia necessaria per estrarre,
trasformare, trasportare un certo carburante ( energia well to tank - WTT ) e per
far viaggiare un’auto per 100 km con quel carburante ( energia tank to wheels TTW ) )
Per poter confrontare in termini di costi, consumi ed emissioni si effettua un confronto tra veicoli ibridi equipaggiati con motori a benzina e veicoli con motori diesel
e CNG; nel confronto, tabella 7.1,i benefici ottenuti sono messi a confronto con il
costo aggiuntivo delle diverse tecnologie rispetto al caso base.
Tabella 7.1: Confronto tra le diverse tecnologie ( Europa 2400 auto da 70-80 kW )
Modello
Diesel
CNG bi-fuel
Micro Hybrid
Mild Hybrid
Full Hybrid
Consumo di
energia ( WTW )
-30 %
12 %
-4 %
-17 %
-42 %
Riduzione di
gas serra
-25 %
-11 %
-4 %
-18 %
-44 %
—– p. 78—–
Costo
aggiuntivo
1.050 e
1.600 e
320 e
1.500 e
5.500 e
Mobilità sostenibile
È possibile confrontare il costo incrementale e beneficio, in termini di riduzione
dei consumi ed inquinamento, di soluzioni powertrain alternative nel grafico di figura 7.3.
Figura 7.3: Costi incrementali e benefici.
I percorsi evolutivi delle differenti tipologie di ibrido fino all’anno 2015, figura 7.4,
mostrano come fondata l’ipotesi di convergenza tra Mild Hybrid e motori tradizionali, ovvero dell’inserimento progressivo di macchine elettriche nei motori con funzioni
di stop&start,spunto, rigenerazione in frenata.
Figura 7.4: Percorsi evolutivi dell’ibrido.
Le quote di mercato che l’ibrido sarà in grado di conquistare nei tre principali mercati ( USA, Giappone, Europa ) e il numero di veicoli che saranno venduti dal 2010
al 2015 sono mostrati in figura 7.5 e tabella 7.2.
—– p. 79—–
Veicoli Ibridi
Tabella 7.2: Previsione vendita auto ibride 2010
Mercato
USA
Giappone
Europa
Micro Hybrid
296700
0
585000
Mild Hybrid
270900
192000
58500
Full Hybrid
541800
288000
39000
Totale
Totale
1109400
480000
682500
2271900
Figura 7.5: Quote di mercato.
7.2
7.2.1
Modelli Commerciali
Toyota Prius ( 2005 )
In casa Toyota già da parecchi decenni i tecnici lavorano sui veicoli ibridi e possono
senza dubbio essere considerati dei luminari del settore. La toyota Prius è stato il
primo veicolo al mondo di tipo full hybrid, ovvero in grado di funzionare anche in
modalità tutta elettrica, seppure con autonomia limitata, di effettuare una frenata
rigenerativa e di privilegiare l’alimentazione da batterie ogni qual volta sia possibile.
Figura 7.6: Toyota Prius 2005.
—– p. 80—–
Mobilità sostenibile
7.2.1.1
Caratteristiche del sistema
La Toyota Prius ( 2005 ) adotta uno schema del tipo serie - parallelo, con propulsione da parte del motore elettrico unitamente o in alternativa a quello benzina.
A differenza di altri sistemi, il motore elettrico e il generatore, destinati rispettivamente al recupero dell’energia in frenata e alla ricarica delle batterie, sono due unità
distinte. Più grande il primo, in quanto dimensionato per una potenza di 50 kW
necessaria per garantire buone doti di spunto, più piccolo il secondo che per limiti
imposti dalla chimica, non può inviare alle batterie una potenza cosı̀ elevata. Queste
ultime , di tipo Ni - Mh ( Nichel - Idruri Metallici ) presentano una tensione di 202
V. Per ottenere una migliore efficienza il motore della Prius lavora secondo il ciclo
Atkinson, che si differenzia dal ciclo Otto per un maggior ritardo nella chiusura delle
valvole di aspirazione durante la fase di compressione. La leggera perdita di potenza
è compensata dalla presenza del motore elettrico, mentre i vantaggi in termini di
consumi ed emissioni sono notevoli. Nel ciclo misto, il consumo è di 4.3 litri/100
km con una emissione di CO2 pari a 104 g/km, che vanno confrontati con i circa
150 g/km di un moderno turbodiesel di pari prestazioni, figura 7.3; percorrendo una
distanza di 20000 km si ha una minor produzione di anidride carbonica pari a una
tonnellata.
Tabella 7.3: Caratteristiche dei motori.
Emissioni ( g/km )
CO
N OX
HC
HC+N OX
PM
Toyota Prius∗
0.18
0.01
0.02
0.03
-
Euro IV Benzina
1
0.08
0.1
-
Euro IV Diesel
0.5
0.25
0.3
0.025
( ∗ Da rilevazione in sede di omologazione europea a cura della VCA ( Vehicle
Certification Agency ) )
Figura 7.7: Schema della Toyota Prius ( 2005 ).
—– p. 81—–
Veicoli Ibridi
Tabella 7.4: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Caratteristiche
1.5 L 4-Cylinders DOHC 76 HP
DC Brushless 500 V 50 kW - 400 Nm
Figura 7.8: Sezione del sistema di trazione della Toyota Prius ( 2005 ).
7.2.2
Toyota Highlander
Un secondo modello prodotta dalla Toyota è stato il SUV Highlander che presenta
una maggiore complessità favorita dalle dimensioni del veicolo in grado di contenere
tutte le diverse parti aggiunte rispetto alla Prius.
Figura 7.9: Toyota Highlander.
—– p. 82—–
Mobilità sostenibile
Il veicolo possiede la struttura rappresentata in figura 7.10 mentre le caratteristiche
dei motori sono riportate in tabella 7.5; il confronto tra i consumi del veicolo ibrido
Highlander e un normale veicolo a benzina è riportato in tabella 7.6.
Tabella 7.5: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Electric Motor
Caratteristiche
3.3 L 6-Cylinders DOHC 208 HP ( 5600 rpm )
Brushless 650 V 123 kW ( 4500 rpm )
Brushless 650 V 50 kW ( 4500 rpm )
Tabella 7.6: Consumi.
EPA MPG1
City
Highway
Corolla2
[ mpg ]3
30
38
HEV
[ mpg ]
60
51
Gain
[%]
100
34
Figura 7.10: Schema della Toyota Highlander.
1
www.fueleconomy.gov
Corolla 1.8 L 130 HP 4-speed
3
miglia/gallone
2
—– p. 83—–
Veicoli Ibridi
7.2.3
Honda Civic
La Honda ha deciso di sottolineare il suo impegno per l’ambiente con la nuova
Civic Hybrid; una berlina che, rispetto ai prototipi precedentemente prodotti, ha
aumentato notevolmente le prestazioni risultando paragonabili a vetture di cilindrata
superiore con i noti vantaggi di spinta del motore elettrico a bassi giri di rotazione.
La casa Honda si avvale dei seguenti componenti:
• Motore a benzina i-Dsi da 1,3 litri.
• Motore elettrico IMA.
• Sistema di frenatura rigenerativa.
• Unità di accumulo dell’energia elettrica IPU.
• Cambio automatico a variazione continua.
• Compressore a funzionamento ibrido per l’aria condizionata.
Figura 7.11: Honda Civic.
Quando le due unità propulsive lavorano contemporaneamente la nuova Honda Civic
Hybrid è capace di una potenza massima di 85 kW a 6000 giri/min e di una coppia
massima di 170 Nm a 2000 giri/min.
7.2.3.1
Motore a benzina con tecnologia VTEC
Si tratta di un quattro cilindri in linea a otto valvole raffreddato a liquido le cui
dimensioni caratteristiche di corsa ( 73.0 mm ) e alesaggio ( 80.0 mm ) restituiscono
una cilindrata di 1339 cm3 . Oltre a ciò, grazie alla presenza di due candele per
ogni cilindro, è dotato di una doppia accensione intelligente. Il sistema di iniezione
elettronico PGM-FI è stato migliorato attraverso un dispositivo di controllo della
—– p. 84—–
Mobilità sostenibile
valvola a farfalla e del sensore di portata dell’aria nel condotto di aspirazione. La
centralina che gestisce il processo di iniezione del carburante blocca l’alimentazione
quando il motore termico viene spento. Ma il vero valore aggiunto risiede nel sofisticato sistema di distribuzione VTEC SOHC a tre stadi, che permette di adottare la
fasatura e l’alzata delle valvole ad altrettante condizioni di esercizio. In questo modo la tecnologia di fasatura variabile di Honda a tre stadi riesce ad abbinare i noti
vantaggi di questo sistema al funzionamento specifico della vettura ibrida. Preso
singolarmente, il propulsore a benzina è capace di erogare una potenza massima di
70 kW a 6000 giri/min e una coppia massima di 123 Nm a 4500 giri/min.
7.2.3.2
Motore elettrico IMA
Al motore a combustione interna si affianca un motore elettrico denominato IMA
( Integrated Motor Assist ) che ha lo scopo di supportarlo o addirittura sostituirlo.
L’IMA è un motore sincrono trifase a magneti permanenti con tensione di alimentazione pari a 158 V. Le prestazioni dell’unità IMA parlano di una potenza massima
di 14.6 kW a 2000 giri/min e una coppia massima di 103 Nm nei primi 1160 giri/min.
Figura 7.12: Honda Civic: disposizione dei motori.
Figura 7.13: Honda Civic: componenti del veicolo ( motore a benzina + motore
elettrico + cambio. )
—– p. 85—–
Veicoli Ibridi
7.2.3.3
Sistema di accumulo
Il pacco di batterie si compone di 22 pile al Nichel - Idruri metallici che insieme
forniscono una tensione di 158 V e 5.5 Ah. La potenza disponibile in uscita dall’unità
di accumulo dell’energia è di 14.6 kW che può essere interamente convertita in lavoro
meccanico dal motore elettrico; invece la potenza di ricarica è leggermente inferiore
con un valore di 12.1 kW.
Figura 7.14: Honda Civic: disposizione del sistema di accumulo e conversione.
7.2.4
Honda Accord
Un secondo modello prodotta dalla Honda è la berlina Honda Accord che presenta
un sistema simile a quello della Honda Civic ma più potente. Il veicolo possiede
la struttura rappresentata in figura 7.16 mentre le caratteristiche dei motori sono
riportate in tabella 7.7; il confronto tra i consumi del veicolo ibrido Accord e un
normale veicolo a benzina è riportato in tabella 7.8.
Tabella 7.7: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Machine
Caratteristiche
3.0 L VTEC V6 240 HP
DC Brushless 12 kW / 74 Nm Electric Motor
DC Brushless 14 kW / 123 Nm Electric Generator
Tabella 7.8: Consumi.
EPA MPG4
City
Highway
AT BL5
[ mpg ]6
21
30
4
www.fueleconomy.gov
Engine 3.0 L 240 HP 5-speed
6
miglia/gallone
5
—– p. 86—–
HEV
[ mpg ]
30
37
Gain
[%]
43
23
Mobilità sostenibile
Figura 7.15: Honda Accord.
Figura 7.16: Schema della Honda Accord.
7.2.5
Ford Escape 2004
Il modello prodotto dalla Ford è il SUV Escape; il veicolo possiede la struttura
rappresentata in figura 7.18 mentre le caratteristiche dei motori sono riportate in
tabella 7.9; il confronto tra i del veicolo ibrido Ford e un normale veicolo a benzina
è riportato in tabella 7.10.
Figura 7.17: Ford Escape.
—– p. 87—–
Veicoli Ibridi
Tabella 7.9: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Caratteristiche
2.3 L 4-Cylinders Inline 133 HP
PM 330 V 70 kW
Tabella 7.10: Consumi.
EPA MPG7
City
Highway
3.0 L BL18
[ mpg ]9
20
25
HEV
[ mpg ]
36
31
Gain
[%]
80
24
Figura 7.18: Schema della Ford Escape.
7.2.6
Gruppo PSA
L’impegno del gruppo PSA nello sviluppo di veicoli ibridi pone le sue radici all’inizio degli anni Novanta e ha portato a maturare un’esperienza che si traduce oggi
in due prototipi. Nascono cosı̀ la Peugeot 307 Ibrida HDi e la Citroën C4 Ibrida
HDi. Per i veicoli che si descriveranno nel seguito non si parla di immediata commercializzazione, in quanto superata la sfida tecnologica e progettuale, resta quella
economica per rendere questa soluzione accessibile ad un vasto pubblico. Ad oggi
le previsioni sono di una produzione in serie nel 2010. Nel panorama delle vetture
ibride attualmente in commercio l’utilizzo del motore elettrico risulta quasi sempre
abbinato ad un’unità a benzina. I tecnici della PSA sono convinti che solo l’utilizzo
del motore a gasolio riesca a minimizzare i consumi e le emissioni. Con i prototipi
sviluppati sono infatti riusciti ad ottenere percorrenze medie di 29.41 km/litro ed
emissioni di CO2 di 90 g/km abbinando un motore elettrico di 16 kW ad uno a
gasolio da 1.6 litri e 66 kW. Per avere un’idea della diminuzione una vettura analoga con sola trazione a gasolio con 1.6 litri da 80 kW ha una percorrenza media di
7
www.fueleconomy.gov
BL1 3.0 L 200 HP 4-speed AT
9
miglia/gallone
8
—– p. 88—–
Mobilità sostenibile
21.3 km/litro ed emissioni di 125 g/km, mentre per un 1.6 benzina di pari potenza
i valori passano a 13.5 km/litro e 174 g/km. Se invece si confronta la scelta del
gruppo PSA con un sistema ibrido benzina il vantaggio è di circa un litro ogni 100
chilometri: 3.4 litri/100 km contro circa 4.5 litri/100 km.
Tabella 7.11: Prestazioni e consumi dell’ibrido HDi.
Veicolo
Tipo motore termico
Tipo di Cambio
Velocità massima (km/h)
0 a 100 km/h ( s )
0 a 400 m ( s )
0 a 1000 m ( s )
30 - 60 km/h ( s )
80 - 120 km/h ( s )
Ciclo MVEG
Direttiva CE 1999-100
Consumo ( litri/100km )
Emissioni di CO2 ( g/km )
Scarto per rapporto HDi in %
Ciclo Urbano
Consumo ( litri/100km )
Emissioni di CO2 ( g/km )
Scarto per rapporto HDi in %
7.2.6.1
C4/307 di riferimento
Diesel 1.6 litri 80 kW
Manuale 5 rapporti
192
12.4
18.5
33.7
5.8
13.0
Hybrid HDi
Diesel 1.6 litri 66 kW
Robotizzato 6 rapporti
181
12.4
18.4
33.9
3.5
10.6
4.7
125
Ref
3.4
90
-28 %
5.4
145
Ref
3.0
80
-45 %
Caratteristiche del sistema
Il sistema impiegato su 307 e C4 abbina al motore diesel 1.6 HDi da 66 kW, un
motore elettrico, un inverter, un gruppo di batterie ad alta tensione e un’elettronica
di controllo dedicata. La trasmissione è invece affidata ad un cambio robotizzato
a sei rapporti, che riduce i consumi rispetto ad uno di tipo manuale e permette al
conducente la selezione delle marce o l’utilizzo in modalità automatica. L’insieme
di queste modifiche porta ad un maggior peso pari a circa 170 kg. L’architettura
impiegata per una trazione ibrida è di tipo parallelo. Il motore elettrico ha la potenza
nominale di 16 kW e una coppia di 80 Nm, ma può arrivare ad erogare un picco di
23 kW e 130 NM per rispondere alle repentine accelerazioni. Si tratta di un’unità
sincrona a magneti permanenti, associata ad un inverter con una tensione alternata
variabile dai 2110 a 380 V, in funzione delle esigenze di guida. Passando alla parte
posteriore dei due veicoli si trova il gruppo batterie ad alta tensione, alloggiato al
posto della ruota di scorta per ridurre la capacità del bagagliaio. La tensione di 288
V è ottenuta tramite 240 elementi al Nichel - Idruro di metallo mentre la potenza
scambiabile con l’inverter è di 23 kW. L’autonomia del veicolo in modalità elettrica
è di 5 km.
—– p. 89—–
Veicoli Ibridi
Figura 7.19: Componenti del veicolo.
1: Motore Diesel 1.6 HDi 66 kW, 2: Filtro antiparticolato FAP, 3: Sistema
Stop&Start, 4: Motore elettrico 16 kW, 5: Cambio robotizzato a 6 rapporti, 6:
Inverter e raddrizzatore alta tensione, 7: Batteria 12 Volt, 8: Supervisore sistema
di gestione PTMU, 9: Cavi elettrici alta tensione, 10: Frizione.
Figura 7.20: Disposizione dei componenti del veicolo.
1: Motore Diesel 1.6 HDi 66 kW, 2: Filtro antiparticolato FAP, 3: Sistema
Stop&Start, 4: Motore elettrico 16 kW, 5: Cambio robotizzato a 6 rapporti, 6:
Inverter e raddrizzatore alta tensione, 7: Batteria 12 Volt, 8: Supervisore sistema
di gestione PTMU, 9: Cavi elettrici alta tensione, 10: Batteria alta tensione Ni-Mh
288 Volt.
—– p. 90—–
Mobilità sostenibile
7.2.7
Eaton Hybrid System
Il modello prodotto è un furgone di tipo commerciale, il veicolo possiede la struttura
rappresentata in figura 7.22 mentre le caratteristiche dei motori sono riportate in
tabella 7.12; il confronto tra i consumi del veicolo ibrido e un normale veicolo è
riportato in tabella 7.13.
Figura 7.21: Eaton Hybrid System.
Tabella 7.12: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Caratteristiche
4.3 L 4-Cylinders Diesel 170 HP
PM DC Brushless 340 V 44 kW - 420 Nm
Tabella 7.13: Consumi.
MPG
PM
N OX
HC
CO2
CO
Diesel
9.3
0.158
12.9
0.02
1103
1.89
HEV
13.42
0.0112
5.89
0
758
0.7352
Change[ % ]
45
93
54
100
31
60
Figura 7.22: Schema del Eaton Hybrid System.
—– p. 91—–
Veicoli Ibridi
7.2.8
Hino 4T Ranger HEV 2004
Il modello prodotto è un camion che possiede la struttura rappresentata in figura 7.24
mentre le caratteristiche dei motori sono riportate in tabella 7.16; il confronto tra i
consumi del veicolo ibrido e un normale veicolo è riportato in tabella 7.17.
Figura 7.23: Hino 4T Ranger HEV 2004.
Tabella 7.14: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Caratteristiche
JO5D-IT 4.73 L 4-cyl Diesel 132kW / 461 Nm
Induction AC 23 kW
Tabella 7.15: Consumi.
MPG
PM
N OX
CO2
Diesel
-
HEV
-
Change[ % ]
20
85
50
17
Figura 7.24: Schema Hino 4T Ranger HEV.
—– p. 92—–
Mobilità sostenibile
7.2.9
Nissan Condor 2003
Il modello prodotto è un camion che possiede la struttura rappresentata in figura 7.26
mentre le caratteristiche dei motori sono riportate in tabella ??; il confronto tra i
consumi del veicolo ibrido e un normale veicolo è riportato in tabella ??.
Figura 7.25: Nissan Condor 2003.
Tabella 7.16: Caratteristiche dei motori.
Tipo
Engine
Electric Motor
Ultracapacitor
Battery
Caratteristiche
6.93 L 6-Cylinders Diesel 204 Hp 3000 rpm
PM 55 kW 4060-9000 rpm
346 V 60 kW 583 Wh 384 cell
346 V
Tabella 7.17: Consumi.
Performance
MPG
CO2
Change[ % ]
50
33
Figura 7.26: Schema Nissan Condor 2003.
—– p. 93—–
Veicoli Ibridi
7.2.10
Allison Hybrid Powertrain System
Il sistema viene installato sui veicoli per il trasporto urbano ed extraurbano delle
persone. La struttura del sistema ibrido viene mostrata in figura 7.31 mentre le
caratteristiche dei motori sono riportate in tabella 7.18; il confronto tra i consumi
del veicolo ibrido e un normale veicolo è riportato in tabella 7.19.
Figura 7.27: Hybrid Powertrai System.
Figura 7.28: Transit Bus.
Figura 7.29: Articulated Bus.
Figura 7.30: Suburban Coach.
Figura 7.31: Schema Allison Hybrid System.
—– p. 94—–
Mobilità sostenibile
Tabella 7.18: Caratteristiche dei motori.
Model
Application
DPIM
Weight
Input Pwr
Max In Trq
Weight
Accel Power
Battery
Controller
EP 40
EP 50
EP 60
Transit Bus Suburban Coach Articulated Bus
430-900 VDC 160 kW 3-phase AC
908 lbs
208 Hp
330 Hp
330 Hp
910 lb-ft
1050 lb-ft
1050 lb-ft
2300 rpm
350 Hp
400 Hp
400 Hp
NiMH 330 V ( Panasonic )
Two AT 1000/2000/2400 Controller
Tabella 7.19: Consumi.
Performance
MPG
PM
N OX
HC
CO
Change[ % ]
60
90
50
90
90
—– p. 95—–
Veicoli Ibridi
—– p. 96—–
Parte III
97
Bibliografia
[1] Sebastian E. Gay Ali Emadi Mehrdad Ehsani, Yimin Gao. Modern Electric,
Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles. CRC PRESS, 1 edition, 2005.
[2] Marco Noro. Celle a combustibile tecnologia e possibilità applicative. DARIO
FLACCOVIO EDITORE, 1 edition, 2003.
99
—– p. 100—–