ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE
" E. M A J O R A N A "
ELETTRONICA-TELECOMUNICAZIONI - INFORMATICA
Via F. Baracca, 76/86 - 10095 GRUGLIASCO (TO) - TEL. 411.33.34 - FAX 403.53.79
Progettazione di apparati elettrici, elettronici ed informatici per l’Auto Elettrica
INDICE
CAPITOLO 1
1.0
Perché favorire l’uso del veicolo elettrico.
1.1
Sistemi di alimentazione.
1.2
Vantaggi e svantaggi nell’utilizzo di batterie a celle di combustibile.
1.3
Confronto tra i vari sistemi di trazione elettrica e relativi motori e controlli.
CAPITOLO 2
2.0
Progetto di massima.
2.1
Specifiche tecniche del progetto.
2.2
Schema a blocchi del sistema elettrico completo.
2.3
Schema a blocchi del sistema di trazione.
2.4
Schema a blocchi degli apparati ausiliari.
2.5
Calcolo del sistema di trazione.
CAPITOLO 3
3.0
Progetti proposti dai gruppi classe.
CAPITOLO 4
4.0
Prototipi realizzati dalla classe 5^A.
4.1
Prototipi realizzati dalla classe 5^B.
4.2
Prototipi realizzati dalla classe 5^C.
4.3
Prototipi realizzati dalla classe 5^D.
4.4
Prototipi realizzati dalla classe 4^E.
CAPITOLO 1
1.0 – Perché favorire l’uso del vicolo elettrico
Mai come negli ultimi anni si è intensificata la ricerca di nuove soluzioni per
realizzare auto elettriche sempre più efficienti che potessero coinvolgere ed attirare
una maggiore massa di consumatori. Ovviamente il principio alla base di questi studi
puntava essenzialmente sulla riduzione delle emissioni inquinanti delle autovetture,
poiché per il 2005 l’Unione Europea ha stabilito un abbassamento del 50 % delle
emissioni di ossido di carbonio (CO),di ossido di azoto (NOx) e di idrocarburi (HC).
La figura qui accanto
mostra l’evoluzione dei
limiti europei delle
emissioni gassose e di
articolato dei veicoli
leggeri equipaggiato con
motori diesel.
Altri motivi per cui
favorire l’uso del veicolo
elettrico e prettamente
legati alla caratteristiche
tecniche di questo tipo di autovetture sono:
Costi minori nella produzione dei motori elettrici.
Nella progettazione del veicolo elettrico si privilegiano le caratteristiche che
riducano i consumi piuttosto che le prestazioni sportive.
Semplificazione delle componenti meccaniche.
Elettronica sempre più affidabile.
Minori costi di manutenzione.
La ricarica viene effettuata prevalentemente di notte.
L’energia elettrica utilizzata per la ricarica può essere prodotta da tutte le fonti
elettriche conosciute (eolica,fotovoltaica,
idrica,biomassa,geotermica,termica,nucleare).
Bassi consumi negli ingorghi spesso frequenti nei centri urbani;
Assenza di rumorosità del motore;
Costo per chilometri notevolmente inferiore.
Al contempo l’utilizzo del veicolo elettrico permette non solo minori costi per
impatto ambientale del rumore ,a livello di insonorizzazione strade, ma come
conseguenza di ciò riduce,seppur percettibilmente a lungo termine,i costi sanitari, in
quanto in futuro prossimo l’utilizzo di massa di questo veicolo permetterà una
riduzione netta di malattie o disturbi alle vie respiratorie.
1.1- Sistemi di alimentazione
I sistemi di alimentazione studiati dalle varie case costruttrici per alimentare una
vettura elettrica sono essenzialmente tre: pannelli solari ,batterie tuttora in uso nelle
normali auto e le celle a combustibile. Al momento la ricerca ha puntato
principalmente l’attenzione sulla realizzazione di city car alimentate con il secondo
tipo di batterie sopra citate poiché presentano vantaggi a livello di
dimensioni,prestazioni e costi. L’utilizzo di pannelli solari avrebbe infatti
ripercussioni sul costo,sul peso e sarebbero inutili nell’utilizzo notturno, mentre le
celle a combustibile il cui funzionamento si basa sull’idrogeno presentano ancora
alcuni problemi, a causa dei costi ancora troppo elevati e a causa di un bisogno
energetico elevatissimo.
I pannelli solari sono costruiti assemblando sul medesimo pannello diverse celle
fotovoltaiche. Queste ultime sono realizzate con una sottile fetta di un materiale
semiconduttore,in genere silicio,che viene alterato con un processo particolare che lo
rende fotosensibile,in due strati dalle differenti caratteristiche. In questo
modo,quando la cella viene colpita da raggi solari,questi mettono in moto gli elettroni
da uno strato all’altro e conseguentemente nel circuiti del quale le celle fanno parte.
Le celle fotovoltaiche si comportano pertanto come una vera e propria “pompa”per
elettroni,alimentata dall’energia solare che le colpisce.
Analizzando le caratteristiche dello “schema elettrico” e individuando di conseguenza
i componenti di cui esso è caratterizzato possiamo notare una notevole somiglianza
con il nostro circuito, in cui utilizziamo come sistema di alimentazione delle normali
batterie.
I pannelli fotovoltaici richiedono di essere collegati agli utilizzatori con un circuito
elettrico che comprenda gli elementi seguenti:
un sistema di accumulo dell'energia elettrica che consenta di garantire la
fornitura di energia in assenza di radiazione solare;
un diodo che impedisca il fluire di energia dalla batteria verso il pannello
fotovoltaico in assenza di radiazione solare;
un inverter (apparecchiatura che trasforma la corrente da alternata a continua)
nel caso in cui vi siano utilizzatori che richiedano corrente alternata (nel nostro
caso il motore brushless).
Per tali motivo la nostra attenzione si è spostata particolarmente sull’utilizzo delle
normali batterie effettuando perciò uno studio per individuare quelle con migliori
prestazioni al fine di poter ottenere buoni risultati sul veicolo.
Prendendo in considerazione le varie tipologie di batterie che il mercato offre in
questo momento abbiamo individuato i seguenti modelli:
Piombo-Acido.
Nichel-Cadmio.
Nichel-Idruri metallicci.
Piombo bipolare.
Sodio-Zolfo.
Sodio-Nichel cloro.
Zinco-Aria.
Litio.
Le uniche due tipologie disponibili in produzione di serie, sono le prime due mentre
la terza inizia in questo momento ad essere reperibile nel mercato.
Le rimanenti sono da considerarsi non proponibili per i seguenti motivi:
Piombo bipolare:
-non hanno ancora raggiunto un buon livello di affidabilità;
-difficile gestione;
-difficile reperibilità;
-alto costo;
Sodio-Zolfo:
-batterie ad alta temperatura;
-non adatte per il funzionamento ibrido;
-difficile reperibilità;
-alto costo;
Sodio-Nichel cloro:
-batterie ad alta temperatura;
-non adatte per il funzionamento ibrido;
-alto costo;
Zinco-Aria:
-non sono ricaricabili elettricamente;
-inutilizzabili in sistema ibrido;
-livello prototipale;
Litio:
-livello sperimentale.
Come abbiamo spiegato in precedenza abbiamo puntato perciò l’attenzione su tre
ipotesi in particolare,evidenziando i pro e i contro che esse presentano:
Piombo – Acido
assorbito
Piombo - Gel
Nichel - Cadmio
Pro
Ridotta altezza che permette una facile
disposizione dei pacchi batterie sotto il
veicolo;
Facile installazione;
Sigillate.
Ridotta altezza che permette una facile
disposizione dei pacchi batterie sotto il
veicolo;
Affidabilità;
Sono previste sacche laterali per la
gestione termica della batteria mediante
fluido;
Facile installazione;
Sigillate;
Affidabilità.
Affidabilità;
Bassa resistenza interna.
Contro
Poli conici;
Affidabilità.
Controllo
preciso della
tensione di
ricarica.
Altezza;
Volume;
Rabbocco;
Costo.
Da questa tabella e basandoci su alcuni dati teorici si evince che la soluzione migliore
risulta quella di adottare le batterie di tipo Piombo – Gel.
Il tipo di batteria presa in considerazione è una Fiamm Ecoforce con le seguenti
caratteristiche tecniche:
Amperaggio [Ah]
115
Dimensioni [mm]
L
S
H
276 175 175
Il pacco di batterie risulterà allora con le seguenti specifiche tecniche:
Quantità: 19 pezzi;
Dimensioni: 5244 (L) x 350 (S) x 175 (H) [mm];
Tensione: 230 V.
Oltre a questi efficienti sistemi di trazione a basso inquinamento l’ingegneria francese
ha ideato un motore che consuma aria,il quale ha bisogno soltanto dell’aria
immagazzinata a una pressione di 300 atmosfere nelle quattro bombole montate sotto
il telaio.
Inizialmente si pensava di poter ridurre l’inquinamento emesso dalle automobili con
motore a scoppio utilizzando una camera di scoppio più piccola rispetto a quella già
presente,successivamente si è scoperto di poter far funzionare il motore anche se
nella camera veniva immessa soltanto aria compressa.
Iniettata nella camera,l’aria si espande ed aziona un pistone. Questa spinta meccanica
muove i cilindri e fa girare gli ingranaggi. Un pieno di aria costa 1.54 euro,e permette
all’automobile di percorrere circa 200 chilometri ad una velocità media di 60
chilometri orari. A velocità elevate però il motore consuma di più e per tale motivo
non è adatta a percorsi extraurbani.
Le bombole si ricaricano in quattro o cinque ore,collegando il compressore di cui è
dotata la vettura a una presa di corrente.
Il costo di vendita sarà di circa 11.000 euro.
Nella tabella sottostante sono riassunte le caratteristiche tecniche dell’auto a
pressione.
Autonomia
Velocità massima
Consumi
Prezzo
Modelli revisti
Altezza
Larghezza
Lunghezza
Peso
200 Km a 60 Km/ora
110 Km/ora
100 Km con 0.77 euro
Circa 11.000 euro
Taxi,furgoncini,pick-up,familiare
1.75 m
1.72 m
3.84 m
circa 700 Kg
1.2-Vantaggi e svantaggi nell’utilizzo di batterie a celle di combustibile.
Moltissimi sono i motivi che, negli ultimi anni, sono stati causa di un crescente
interesse per le applicazioni pratiche delle celle a combustibile:
Elevato rendimento - Gli impianti termici tradizionali operano convertendo
l’energia termica ricavata da una reazione chimica di combustione in energia
meccanica e quindi in energia elettrica. Queste trasformazioni energetiche
pregiudicano l’efficienza complessiva del processo, e gli impianti attuali sono ormai
giunti a valori di rendimento non suscettibili di ulteriori sensibili aumenti. Le celle a
combustibile riescono ad ovviare a questo problema trasformando direttamente
l’energia chimica del combustibile in energia elettrica ottenendo rendimenti molto
maggiori.
Questi vantaggi sono ancora più rilevanti se il confronto non avviene con impianti
fissi di grossa taglia, bensì con i tradizionali sistemi utilizzati per la propulsione dei
veicoli terrestri, cioè i motori a combustione interna ad accensione comandata o
spontanea, che come noto sono mediamente
caratterizzati da rendimenti molto modesti. Infine, non va dimenticato che un più
elevato rendimento significa un migliore sfruttamento dell’energia dei combustibili, e
ciò si traduce in minore consumo specifico.
Basse emissioni inquinanti - La cella a combustibile garantisce un impatto
ambientale minimo, avendo come sottoprodotti vapore acqueo, calore e solamente
tracce degli inquinanti considerati, variabili per qualità e quantità a seconda del
processo utilizzato per ottenere l’idrogeno. Questi vantaggi assumono importanza
ancora maggiore se si considera un’eventuale applicazione in campo veicolistico,
soluzione che permetterebbe un immediato drastico abbattimento delle emissioni
proprio nelle aree urbane, ove il problema dell’inquinamento è più sentito e più
difficilmente controllabile.
Silenziosita’ - Le celle a combustibile non producono intrinsecamente alcuna
emissione acustica anche se esse necessitano però di una serie di ausiliari quali
pompe, compressori, ventilatori, che sono responsabili di livelli di rumore non
sempre modesti.
Utilizzo di vari combustibili - Appare fondamentale il poter disporre di una
tecnologia che prescinda il più possibile dal tipo di combustibile utilizzato. Il
combustibile primario utilizzato nella reazione è l’idrogeno: esso può essere
insufflato direttamente all’interno della cella da un apposito serbatoio oppure ricavato
da altri combustibili, mediante un processo chimico detto “reforming”o “fuel
processing”. Esso permette di ricavare idrogeno da svariati composti che lo
contengano, sia gassosi come il metano, sia liquidi come la benzina ed il gasolio. E’
possibile estrarre idrogeno anche da alcoli quali metanolo ed etanolo, o da altri
composti quali ammoniaca ed idrazina.
Altri vantaggi sono legati alle dimensioni che si presentano piuttosto ridotte per
un’autovettura,non necessita di manutenzione complicate e costose come il motore a
scoppio,ed in particolare in base all’evoluzione che si sta avendo nelle tecniche di
stoccaggio dell’idrogeno,la tecnologia della nanostruttura di carbonio permette ora di
conservare l’idrogeno in grande quantità,riducendo non solo i costi ma anche peso ed
ingombro del veicolo.
L’applicazione delle fuell cells su un’autovettura oltre a presentare rilevanti vantaggi
presenta purtroppo anche alcuni svantaggi:
I problemi per la produzione riguardano soprattutto i costi ancora oggi troppo
elevati rispetto a quelli di motori a benzina o gasolio. Ad esempio per la
ELETTRA H2 fuell cells, una seicento in versione ecologica, il costo per la
realizzazione di questa vettura è stata di venti miliardi con un contributo di sei
miliardi del ministero dell’ambiente,
Per produrre idrogeno viene consumata molta energia elettrica quindi si
sposterebbe solo l’inquinamento da un’altra parte ovvero dove l’elettricità viene
prodotta;
Costi di vendita molto elevati (esempio, la seicento prima citata costa ben 41
milioni);
Utilizzo prettamente cittadino, visto che la produzione di idrogeno inquinante e
delocalizzata.
Il principio di funzionamento della pila a combustibile (fuell cell) e illustrato nella
seguente figura:
L’idrogeno,immagazzinato in bombole ad alta pressione in forma gassosa,viene
inviato a pressione costante all’anodo della pila,ove in presenza di un catalizzatore al
platino si ionizza positivamente (protone) rilasciando due elettroni;il protone
passa,quindi,attraverso una membrana selettiva “protonica”,chiamata Proton
Exchange Membrane (PEM) per incontrare l’ossigeno inviato sul catodo per mezzo
di un compressore a portata variabile.
1.3 - Confronto tra i vari sistemi di trazione elettrica e relativi motori e
controlli.
I sistemi di trazione utilizzabili per la city car elettrica sono essenzialmente quattro:
-Motore Brushless.
-Motore a corrente continua con eccitazione indipendente;
-Motore a corrente continua con eccitazione serie;
-Motore asincrono a magneti permanenti a flusso assiale;
Motore brushless.
Il principio di funzionamento del motore brushless è (o motore senza spazzole) è
analogo a quello del motore C.C. La parte più soggetta ad usura del motore a c.c.,il
commutatore meccanico a collettore,viene però sostituita nel brushless da un più
affidabile commutatore elettronico. La struttura del motore è schematizzata nella
figura sottostante.
Esso comprende essenzialmente:uno statore che porta gli avvolgimenti,solitamente
organizzati in tre fasi (A,B,C) disposte a 120°; un rotore a magnete permanente;un
commutatore elettronico costituito da un sensore (ottico o magnetico)della posizione
del rotore,da una logica del commutazione e da una serie di interruttori elettronici.
Nel brushless il commutatore sente istante per istante la posizione del rotore ed attiva
la fase dello statore che in quel momento è in grado di generare un campo
perpendicolare a quello del rotore.Il vantaggio evidente è che gli
avvolgimenti,facendo parte dello statore,non necessitano di dispositivi in movimento
per la loro alimentazione.
Nella figura di seguito è illustrato schematicamente il funzionamento del motore (a),
è indicata la sequenza di attivazione delle fasi (il livello alto significa fase attiva)
(b),è riportato l’andamento delle correnti di ogni fase (c) e sono riportate le cosiddette
funzioni di coppia C (I) relativa a ciascuna fase (d).
La fase A,ad esempio,crea un campo magnetico con le polarità indicate all’esterno
del cerchio (il nord in basso ed il sud in alto) e rimane attiva finchè il rotore,con le
polarità indicate,non ha ruotato in senso orario dell’angolo da 0° a 120°.
Successivamente viene attivata la fase B,per una rotazione del magnete permanente
da 120° a 240° e poi ancora la fase C,per una rotazione da 240° a 360°. In questo
modo il rotore viene trascinato dai capi generati dalle fasi,che si attivano in sequenza.
Nella figura c è possibile notare come l’andamento delle correnti non sia
perfettamente rettangolare per via di transitori dovuta alla componente induttiva degli
avvolgimenti.
Dal momento che durante l’attivazione di una fase la posizione reciproca dei campi
magnetici (quello generato della fase e quello prodotto dal magnete) cambia,anche la
coppia prodotta dovrebbe subire delle variazione. Viceversa nei brushless vengono
adottate opportune soluzioni costruttive in modo da mantenere le coppia pressochè
costante per tutti i 120° di attivazione della fase.
La figura di rappresenta invece l’andamento della coppia in funzione dell’angolo del
rotore nel caso in cui la fase corrispondente fosse costantemente alimentata dalla
corrente di armatura Ia per un giro completo del rotore.Come si vede ad esempio per
C (Ia ),la coppia rimane costante per un angolo da 0° a 120°,corrispondente
all’attivazione della fase A,per poi invertire ovviamente il segno quando il rotore è
ruotato di mezzo giro,cioè fra 180° e 300°.Tuttavia poiché le correnti vengono
mantenute in ciascuna fase per i soli 120° corrispondenti al valore costante e positivo
della coppia (zona tratteggiata),la coppia risultante che agisce sul rotore risulta
sostanzialmente costante e costituita da C (Ia ) per i primi 120° da C (Ib ) da 120° a
240°,da C (Ic ) da 240° a 360°.
Le forze controelettromotrici (f.c.e.m.)indotte in ciascuna fase della rotazione del
magnete permanente sono proporzionali alla velocità di rotazione e presentano lo
stesso andamento delle funzioni di coppia. A causa però delle commutazioni da una
fase all’altra,dai morsetti di ingresso del motore si vede una f.c.e.m. risultante
praticamente costante e,analogamente al motore c.c.,proporzionale alla velocità.
Per il brushless valgono pertanto le stesse equazioni valide per il motore c.c.;in
particolare si ha:
va = Ra ia + La dia / dt + eg
eg = k E ω
Cm = KT ia
Dove
va tensione di alimentazione;
ia corrente che scorre nella fase attiva
Ra resistenza di una fase
La induttanza di una fase
kE costante di tensione
KT costante di coppia
ω velocità angolare
In pratica le coppie di poli del rotore sono normalmente due anziché una sola come
finora supposto,sicchè gli angoli dei diagrammi prima descritti devono essere
dimezzati.Introducendo però gli angloi elettrici anziché gli angoli meccanici, i
diagrammi tornano corretti e valgono per qualsiasi numero di coppie di poli.
Nel caso di due coppie di poli i diagrammi precedenti si ripetono per due volte
durante una rotazione completa del rotore.
Le fasi sono normalmente collegate a stella ed alimentate a ponte,secondo lo schema
qui riportato, in cui i BJT lavorano da interruttori ed i diodi sono quelli di libera
circolazione.
Le commutazioni
del BJT avvengono
secondo la
frequenza a sei
passi (figura a) in
cui al solito il
livello alto significa
che il transistore in
conduzione.
In figura b è illustrato
l’andamento della f.c.e.m.,indotte
nelle tre coppie di fasi,AB,ACe
BC. L’andamento delle funzioni di
coppia è analogo.Il controllo della
velocità del motore può essere
realizzato agendo sul valore
dell’alimentazione con tecnica
lineare o con tecnica impulsiva
PWM.Un’ altra soluzione consiste
nell’intervenire direttamente sulle
singole fasi,quando queste sono
attivate. Le frequenze di
commutazione,grazie ai valori
particolarmente bassi
dell’induttanza delle fasi,sono
normalmente più alte che per i
motori a c.c. tradizionali. Per
ottenere le funzioni di coppia ad andamento trapezoidale,necessarie per avere una
coppia risultante costante ,sono richieste tecniche costruttive che in parte limitano
l’efficienza del motore. Per tale motivo i motore brushless di questo tipo
normalmente bassi potenze (fino a qualche decina di Watt).
Il brushless presenta numerosi vantaggi:affidabilità maggiore,rendimento più
elevato,minore necessità di manutenzione. La coppia di spunto più elevata e il
momento di inerzia minore fanno si che la sua velocità risposta e la banda passante
siano notevolmente superiori a quelli del motore c.c. tradizionale.
.Essi vengono impiegati sia nei cosiddetti azionamenti per assi sia negli azionamenti
per mandrini.
Effettuando una ricerca di motori brushless, che il mercato offre ne abbiamo
individuati in particolare due, che potrebbero essere tranquillamente utilizzati per il
sistema vero e proprio di trazione dell’autovettura.
Motore a corrente continua.
Principio di funzionamento generale: una spira percorsa da corrente ,posta in un
campo magnetico, si pone in rotazione: il verso del movimento può essere
determinato con la regola delle tre dita della mano sinistra applicata ai lati attivi della
spira (secondo la regola delle tre dita della mano sinistra, campo corrente e
spostamento del conduttore sono disposti come indice, medio e pollice della mano
sinistra, posizionati ad angolo retto).La presenza del collettore a lamelle fa si che il
verso della corrente si inverta quando il conduttore sta per attraversare il piano
verticale di commutazione, e questo consente la rotazione sempre nello stesso verso.
Lo spostamento delle spazzole deve quindi avvenire in senso contrario a quello di
rotazione ed i poli ausiliari devono avere polarità uguale a quella dei poli principali
che li precedono immediatamente.
Motori con eccitazione serie.
Essi hanno le seguenti caratteristiche:
1. Una coppia di spunto elevata. Infatti all’avviamento il reostato di campo RC viene
escluso e quindi la corrente di eccitazione è uguale alla corrente di indotto che
assume, all’avviamento, il massimo valore possibile. Si hanno coppie di spunto di
valore da due a quattro volte la coppia di pieno carico.
2. Coppia motrice e velocità sono in prima approssimazione inversamente
proporzionali e la potenza resa e sensibilmente costante al variare del carico.
Infatti un aumento della coppia resistente, e quindi della coppia motrice, causa un
aumento della corrente assorbita; questa però, percorrendo l’avvolgimento di
eccitazione, aumenta il campo e, di conseguenza la velocità diminuisce. In prima
approssimazione per tanto coppia motrice C e velocità n sono inversamente
proporzionali e la potenza resa C2n/60 è costante.
3. A vuoto assumono una velocità di fuga molto elevata. Infatti a vuoto è bassa la
potenza resa, quindi è piccola la corrente assorbita; il flusso assume un basso
valore, di conseguenza la velocità di rotazione è alta.
I motori con eccitazione in serie sono impiegati in quella applicazione in cui il
motore deve partire a pieno carico (ad esempio: trazione e apparecchi di
sollevamento).
Motori con eccitazione indipendente.
Dalla seguente formula:
n = (V – Ri Ii)/ k
essendo in genere Ri Ii <<V, si ha:
n V/ k
da cui si deduce che la velocità varia poco al variare del carico,a parità di tensione di
alimentazione e di corrente di eccitazione; la caratteristica meccanica è perciò una
curva.
All’avviamento del reostato di campo Rc viene escluso ed il reostato di avviamento è
completamente inserito.
Questo motore viene applicato nelle applicazioni in cui è necessaria una velocità
costante al variare del carico.
Motore asincrono a magneti permanenti a flusso assiale.
Il Propulsore differenziale elettromagnetico ha la struttura di un Motore Asincrono a
Flusso Assiale con due rotori liberi di ruotare a velocità diversa. Lo Statore è
costituito da un nucleo toroidale di lamierino ferromagnetico con cave radiali che
ospitano l'avvolgimento statorico. Un corpo in resina epossidica ingloba lo statore e
realizza il canale di circolazione per il liquido di raffreddamento. I due Rotori sono
costituiti da dischi in ferro massiccio in cui sono ricavate le cave radiali per
l'avvolgimento a gabbia. La caratteristica innovativa della macchina che utilizza
questo tipo di trazione è data dal fatto che essa assolve contemporaneamente le
funzioni di motore e di differenziale. Perciò può essere accoppiata direttamente ai
semiassi senza l'interposizione di altri organi meccanici.
CAPITOLO 2
2.0 – Progetto di massima.
La prima fase per la realizzazione di questo progetto è basata su un progetto di
massima nel quale vengono definite tutte le specifiche tecniche necessarie per la
creazione dell’auto elettrica Noemi (NO-EMITION).
Attraverso una serie di studi per individuare i migliori dispositivi di cui dotare
l’autovettura e definire se essi siano convenienti al fine di poter garantire una risposta
positiva nel mercato automobilistico, abbiamo deciso di dotare Noemi di alcuni
apparati ausiliari.
L’auto elettrica presenterà infatti un rilevatore di temperatura interna ed esterna
all’abitacolo e di un rilevatore per la temperatura del motore. Tutto sarà visualizzato
da un unico display dalle dimensioni piuttosto ridotte.
Per ottenere un risparmio energetico e per raggiungere un maggior consenso fra i
giovani si è inoltre deciso di simulare un navigatore satellitare GPS,il quale oltre a
fornire la posizione precisa del veicolo permetterà inoltre di seguire il percorso più
breve e di individuare possibili“distributori” di ricarica elettrica.
Si è inoltre progettato un circuito collegato ad un microcomputer che permetterà la
visualizzazione di messaggi vari,ma che nel nostro caso forniranno al conducente
informazioni relative allo stato chiusura porte e cinture di sicurezza;vi sarà anche
l’accensione automatica di alcuni attuatori come fari,tergicristalli ecc… .
I dispositivi prima elencati costituiscono optional che non tutte le auto
posseggono,ovviamente abbiamo dotato la nostra citycar anche di dispositivi più
comuni:
Tachimetro e contachilometri con visualizzatore a cristalli liquidi;
Alzacristalli elettrico con controllo di sicurezza elettronico;
Indicatore di carica e scarica delle batterie;
A livello prettamente sperimentale e teorico per simulare la trazione abbiamo invece
progettato è realizzato un inverter DC/AC,che permetterà di trasformare la tensione
continua che perviene in ingresso in alternata, ed alimentare perciò il motore
brushless per la trazione del veicolo.
Durante le fasi di progettazione è stato inoltre realizzato un sito web
(www.itismajo.it/scuolalavoro) sul quale sono stati riportati tutti gli schemi,le
analisi,i calcoli e tutto ciò che potesse riguardare il progetto.
Punto forte di questo sito è la possibilità di scambiare informazioni di lavoro fra le
varie aree di sviluppo delle varie scuole,simulando quindi un azienda virtuale.
IL lavoro è stato suddiviso tra le varie classi nel seguente modo:
impianto elettrico dell’auto:schemi elettrici e valutazione costi – (5^B)
sito web per la publicizzazionedel prodotto e scambio di informazioni di lavoro le
varie aree di sviluppo (5^B-5^F);
rilevatore di temperatura inerna/esterna/motore (5^F)
simulazione di un navigatore satellitare (5^B);
rilevatore di carica e scarica delle batterie elettriche (5^B);
visualizzatore a led di inserimento dell cinture di sicurezza (5^B);
inverter DC/AC (5^B);
controllo della velocità del motore in C.C. (4^E);
accensione automatica di alcuni attuatori (fari,tergicristalli,etc) (5^C);
tachimetro e contachilometri con visualizzatore a cristalli liquidi (5^D);
alzacristalli elettrico con controllo di sicurezza elettronico (5^A).
2.1 – Specifiche tecniche del progetto.
La scocca dell’auto presenterà le seguenti dimensioni
Inverter
Dimensioni in millimetri: 250 di lunghezza - 150 di larghezza - 80 di altezza;
Costo: 300 euro.
Questo dispositivo "trasforma" la tensione di 12 V in continua fornita dal blocco
batteria in 220 V in alternata.
La forma d'onda è quadrata con una frequenza intorno ai 50 Hz, regolabile tramite un
apposito trimmer.
Per verificare il suo funzionamento abbiamo utilizzato una lampada ad incandescenza
(uno dei vari dispositivi possibili da collegare) con potenza non superiore a 40W.
Per il suo funzionamento occorre un trasformatore 220/12 V e di una batteria da 12
V.
Si parte da una tensione di 12 V fornitaci dal blocco batteria; si procede a collegare
gli opportuni morsetti tra inverter e batteria.
Costruito l'inverter abbiamo notato un surriscaldamento dei transistor; per rimediare
si applicano due lamelle di alluminio per dissipare questo calore.
Per salvaguardare l 'inverter da eventuali sovraccarichi e cortocircuiti si utilizza un
diodo zener che, oltre ad una tensione di soglia Vz di 18 V, si comporta come un
interruttore aperto non facendo più passare corrente.
L'inverter si basa soprattutto su un componente principale, l'integrato IC4047; le sue
caratteristiche sono:
Massima corrente d'ingresso: 1mA
Immunità ai disturbi: 45% della Vdd
Protezione all'ingresso
Uscite bufferizate
Il circuito richiede una R ed una C
Duty cicle: 50%
Commutazione in salita o in discesa
Il 4047è un circuito integrato monolitico , possiede 14 piedini e comprende al suo
interno circuiti logici triggerati sul fronte di salita e discesa.
E' un multivibratore astabile e allo stesso tempo un contatore esterno.
C
R
R-C
common
Astabile
Astabile
-trigger
Vss
1
2
3
4
5
6
7
Vdd
14
13
Oscillatore
out
12
Retrigger
11
Q -(negato)
10
Q
9
Ext. Reset
8
+ Trigger
In ingresso al IC4047 avremo una tensione di 12 V con un segnale a 50 Hz; questa
frequenza può essere regolata da un trimmer del valore di 100 K che fa variare la
frequenza da 1Hz a 100 KHz.
I transistor usati sono i BDX 53 che costituiscono un ulteriore "sottocircuito" di
POTENZA.
La parte finale del circuito è costituito da un trasformatore 220/12 ,4 A; può essere
monofase o trifase (nel nostro caso è un monofase).
Possiede 2 avvolgimenti: PRIMARIO collegato alla linea; SECONDARIO
collegato al carico
Durante il montaggio è importante fare attenzione al corretto posizionamento dei
diodi e dei transistor. Per far ciò noi, come gruppo, ci siamo serviti dei data-sheet. Per
quanto riguarda le saldature non c'è nulla di particolare da evidenziare tranne che il
nostro integrato non viene saldato direttamente ma viene saldato il suo corrispettivo
zoccolo per poi applicare l'integrato.
Indicatore di temperatura,foto e relativo schema elettrico
Alzacristallo elettrico
Il sistema di alzacristalli elettronico in questione è dotato di un sistema di controllo di
pressione il quale interrompe la chiusura del vetro non appena il sensore rileva la
presenza di un corpo estraneo.
Contachilometri
2.2 – Schema a blocchi del sistema elettrico completo
2.3 – Schema a blocchi del sistema di trazione.
2.4 – Schema a blocchi degli apparati ausiliari.
2.5 – Calcolo del sistema di trazione.
Supponendo che il veicolo progettato abbia una massa totale pari a 550Kg e il raggio
di rotazione delle ruote di trazione pari a R= 290mm, abbiamo scelto il motore della
ditta SBC MOD MB-205 con le seguenti caratteristiche:
POTENZA NOMINALE:
10453 W
VELOCITA’ NOMINALE:
1150 rpm
COPPIA MAX:
398 Nm
COPPIA NOMINALE:
90
Nm
CORRENTE NOMINALE:
41.8 A
CORRENTE DI PICCO:
44.3 A
ALIMENTAZIONE:
220V ac
A questo punto dopo la scelta del motore siamo passati alla risoluzione dei calcoli.
1) CALCOLO DELLA COPPIA NECESSARIA ALLO SPOSTAMENTO DEL
VEICOLO
Spunto in salita con pendenza al 25%:
R= Mtot × PEND × g = 550 × 0.25 × 9.81= 1348Nm
Sapendo che R= 290mm allora :
C= 1348 × 0.29= 391Nm
Sapendo che la Cmax del motore è paro a 398 Nm possiamo affermare che il veicolo
potrà affrontare le pendenze ipotizzate.
2) CALCOLO DELLA VELOCITA’ MAX DEL VEICOLO Vmax veicolo
wmax motore = velocità nominale motore × 2 × 3.14/60= 1150×6.28/60 = 120rad/sec
(velocità angolare del motore)
wmax ruota= wmax mot=120rad/sec
Vmax veicolo = wmax mot × 0.29= 120 × 0.29m/s= 34.8 m/s =125 Km/h.
3) CALCOLO DELLA COPPIA ALLE RUOTE MOTRICI
A tale velocità in piano supponendo che:
a) il coeff. di attrito sia pari a Ka=0.013
b) la superfice frontale del veicolo sia di S=1.5 mq
c) Il Cx = O.3
La resistenza all’avanzamento alla velocità massima sarà:
R = resistenza al rotolamento + resistenza aerodinamica =
=( MASSA × Ka × g ) + ( Kç × K*× S × Cx × (Vmax veicolo)(V max veicolo))
con Kç =0.5 & K*= 1.202
= ( 550 × 0.013 × 9.81) * ( 0.5 × 1.202 × 0.3 × 1.5 × 34.8 × 34.8) = 70 + 327=
= 397 Nm
La coppia sviluppata dalle ruote motrici sarà:
Cruote = 397 × 0.29 = 115 Nm
4) CALCOLO DELLA POTENZA MECCANICA RICHIESTA:
La potenza trasferita sulle ruote è pari a:
Pmax ruote= Cruote × wmax ruote= 115Nm × 120rad/sec = 13800 W.
Potenza erogata dalle batterie:
Pmax =Pmax × ruote 13.8 Kw
Autonomia:
ipotizzando di mantenere una velocità MAX di 125 Km/h e un percorcorso di
due ore l’auto avrà una autonomia pari a 250 Km.
5) CALCOLO DEL N° DI BATTERIE
l’energia richiesta sarà:
E = Pmax per il numero di ore totali = 13.8 × 2 = 27.6 Kwh
Utilizzando batterie al piombo gel della TUDOR da 115 Ah si avrà:
energia batteria = tensione × (corrente × ora)=12 × 115Ah=1.380Kwh:
Calcolo energia totale per la trazione del veicolo:
Etot = 1380 × 20= 27.6 Kwh
Collegando tutte le batterie in serie otteniamo una tensione in uscita Vtot = 220 V dc
NOTA:
il sistema prevede l’utilizzo di un inverter DC/AC 220/ 220ac monofase;
Il motore e’ dotato da un sistema drive di controllo HPD 45;
a bordo del veicolo e’ previsto un carica batterie a ricarica veloce.
CALCOLO DI MASSIMA DEI COSTI
E DELLE DIMENSIONI
a) Sistema motore-drive
Costo del sistema motore-drive totale: 3099 EURO
DIMENSIONI:
MOTORE: MB205
LUNGHEZZA:
ALTEZZA:
SPESSORE:
DIAMETRO:
PESO:
DRIVE HPD45
480mm
---------205mm
73 Kg
318 mm
367 mm
81 mm
b) batterie
TIPO DI BATTERIE : PIOMBO/GEL SENZA MANUTENZIONE
PESO TOTALE DELLE 20 BATTERIE CIRCA 200KG
INGOMBRO TOTALE alt x Lung x Larg= 170 x 1000 x 800(mm)
COSTO TOTALE :
1033 EURO
c) Sistemi elettrici ed elettronici di bordo
INVERTER E CARICABATTERIE:
Sistema
Costo
Inverter
Carica batterie
EURO 300
EURO 200
Dimensioni (mm)
(Lung × larg × alt)
250×150×80
200×200×100
Centralina intelligente - alzacristalli - controllo di temperatura- contagiri ecc…
centralina
EURO 400
Dimensioni:
150X100X100
Sistema elettrico di illuminazione ( proiettori-indicatore di direzione-retrom-stopfendinebbia-retronebbia)
Euro 300
Totale: 1200 EURO
TOTALE : sommando i costi di ogni singolo sistema,batterie,motore e sistemi
ausiliari il totale risulta uguale a 5332 EURO.
N.B : altri sistemi di bordo (navigatore satellitare-climatizzatore ecc..) sono da
considerarsi optional.
Per conoscere i costi consultare la rivista quattroruote.
Sul prezzo applicare lo sconto fabbrica del 50%.
