-Sede di
Forlì-CORSO DI LAUREA IN
INGEGNERIA MECCANICA
Classe LM-33TESI DI LAUREA
In Azionamenti Elettrici LM
Studio di un azionamento brushless
di tipo predittivo per la trazione
in un veicolo elettrico ibrido
CANDIDATO
RELATORE
Andrea Rotondi
Prof. Angelo Tani
A tutti coloro che mi sostengono
in questo momento difficile
…e tanti auguri babbo
Indice
Introdu zion e XI
Capi tolo 1 – Vei coli el ettri ci: s tato d ell ’arte
1.1. Int roduzione
1.2. Pass ato, pres ent e e futuro dei vei coli el et tri ci 1.2.1. Pass ato
1.2.2. Presente
1.2.3. Sviluppi futuri 1.3. Stato Att uale
1.4. Fil osofi a ingegnerist ica e s viluppo dei veicoli elet tri ci 1.4.1. Concett o di vei col o el ettrico
1.4.2. Fil osofi a ingegnerist ica del veicolo el ett rico 1.4.3. Punti chi ave dell a t ecnologi a dei vei coli el ettrici 1.5. Confi gurazioni dei vei coli el ett ri ci
1.6. Confi gurazioni dei vei coli ibrid i 1.6.1. Ibrido s eri e
1.6.2. Ibrido parall el o 1.6.3. Ibrido s eri e -parall el o 1.6.4. Ibrido compl esso 1.6.5. Ibrido bim odal e 1.6.6. Ibrido pes ant e 1.6.7. Ibrido pl ug -in
1.6.8. Vei colo a i drogeno (cella a combustibile) 1.6.9. Controllo del flusso di potenza
1.6.10. Sistem a avanzato per il cont roll o dell a perform ance di un vei col o ibrido
1 1 3 3 4 4 6 10 10 10 13 16 21 22 24 25 26 28 28 28 29 31 33
1.7. Propulsione elettri ca
1.7.1. Considerazioni General i
1.7.2. Motori di trazione ad i nduzione controllati vett ori alm ente
1.7.3. Motore di trazione a magneti permanenti brushl ess 1.7.4. Motore di trazione “swit ched reluct ance”
1.8. Sorgent i di energia
1.8.1. Considerazioni General i 1.8.2. Tipi di batt eri e convenzional i 1.8.3. Supercondens atori
1.8.4. Cell e a com busti bil e
36 36 39 41 42 42 42 43 46 48
Capi tolo 2 – Descri zion e d el sis tema
2.1. Int roduzione
2.2. Motore a combustione i nterna
2.2.1. Generalit à s ui m otori alt ernativi 2.2.2. Ciclo Ott o
2.3. Macchine sincrone 2.3.1. Int roduzione
2.3.2. Macchine sincrone isotrope con avvol gi mento di eccit azione
2.3.3. Macchine sincrone i sotrope con m agneti permanenti (macchi ne brus hl ess )
2.3.4. Vet tori di spazio 2.3.4.1. Generalit à
2.3.4.2. Sistem a di t re grandezze si nus oidal i simmet ri che
2.3.4.3. Vari abili d’asse α -β (d -q )
2.3.5. Modello m at em ati co del le m acchine sincrone isotrope 51 51 52 52 54 58 58 58 64 65 65 69 71 75
2.3.6. Prestazi oni l imit e dei motori brushl es s 2.4. Raddrizzat ore a pont e non cont roll ato trifas e 2.5. Invert er tri fas e
2.6. Dinami ca del vei colo
96 102 104 108
Capi tolo 3 – Con trollo p redi ttivo
3.1. Int roduzione
3.2. Controllo preditti vo di corrent e 3.2.1. Generalit à
3.2.2. Teori a del cont rol lo preditt ivo di corrent e 3.3. Compens azione del ritardo
111 111 111 111 112 116
Capi tolo 4 – Mod ell o del vei col o
4.1. Int roduzione
4.2. Motore a combustione i nterna 4.2.1. Int roduzione
4.2.2. Analisi e Fisi ca
4.2.3. Rel azioni fondam ent ali 4.2.3.1. Farfall a
4.2.3.2. Collet tore di aspirazi one 4.2.3.3. Port at a in m ass a aspi rat a 4.2.3.4. Fas e di compressi one
4.2.3.5. Generazione di coppi a e accel erazione 4.2.4. Modellizzazione
4.2.4.1. Blocco compl eto
4.2.4.2. Sottosis tem a farfall a e collettore
4.2.4.3. Sottosistem a aspi razi one e compressi one 4.2.4.4. Sottosistem a combustione e generazione di
coppi a 121 121 121 121 121 122 122 123 123 124 124 125 125 125 127 129
4.3. Generatore Brushles s
4.4. Raddrizzat ore a pont e non cont roll ato trifas e 4.5. Batt eri e
4.6. Controllo preditti vo di corrent e 4.6.1. Int roduzione
4.6.2. Tecni ca di deflus saggi o 4.6.2.1. Generalit à
4.6.2.2. Caso 𝜔 > 𝜔3 per 𝐼𝑆𝑞>0
4.6.2.3. Caso 𝜔2 < 𝜔 < 𝜔3 per 𝐼𝑆𝑞>0 4.6.2.4. Caso 𝜔1 < 𝜔 < 𝜔2 per 𝐼𝑆𝑞>0 4.6.2.5. Caso 𝜔 < 𝜔1 per 𝐼𝑆𝑞>0
4.7. Invert er tri fas e 4.8. Motore brus hless 4.9. Dinami ca del vei colo
4.10. Vei colo el ett ri co i bri do s erie
130 131 132 132 132 132 132 137 137 138 139 140 141 142 143
Capi tolo 5 – Si mulazioni
5.1. Int roduzione
5.2. Param et ri del modell o
5.3. Funzionam ent o del gruppo ICE -GEN 5.4. Accel erazione “a t utt o gas”
5.5. Compens azione del ritardo di cal colo
5.6. Accel erazione “a t utt o gas” con frenat a a recupero di energi a
5.7. Dinami ca dell a risposta di coppi a
5.8. Accel erazione “a t utt o gas” s u pendenza del 20% 5.9. Influenz a dei param etri di m acchina s ull ’al gorit mo di
controllo 145 145 145 147 150 156 157 162 167 169
Con clusioni 171 Appendi ce A 173 Appendi ce B 179 Bibliografia 185 Sitografi a 187 Ringraziamenti 189
I conti nui svil uppi nell a soci et à odi erna e l e moderne tecnologi e mett ono a disposizione l a possibilit à di condurre una vit a agi ata. Al cont empo, una grande cris i economica a li vell o planet ario ha i nvestito l a popol azione m ondi ale , limit ando l ’acquisto di beni di consumo non strett am ent e neces sari . In questo periodo chi può perm ett ersi di fare acquis ti cerca di farlo in modo int elli gente, cercando di ris parmi are il più possi bil e ri cercando com unque una qualit à elevata. Nel cam po dell’automotive, negli ultimi anni, gli sviluppi sono stati consistenti . Infat ti s ono st at e int rodott e s ul m ercato molte novit à, t ra l e quali vett ure con propul sione elet tri ca. Lo sviluppo massi vo di quest a t ecnol ogi a è dovut a al fatto che il prezzo del greggi o è in cont inuo aum ento e, inol tre, i limiti di emissioni dannose legate all’impatto ambientale dei veicoli spinti da mot ore a com bust ione i nt erna s ono ogni anno sempre pi ù stringenti. P er quest a s erie di moti vi , l ’introduzione dell a propulsione el ettrica st a vi a vi a andando quantom eno ad affiancare la propulsi one termica cercando, i n un prevedibile futuro, di superarl a e renderl a obsol et a. Nonost ant e le grandi prest azioni che poss ono forni re i m ot ori elettrici, il problema principale risulta essere l’accumulo di energia a bordo, che non perm ett e di ott enere ancora autonomi e el evat e. Olt retutt o i tempi di ri cari ca risul tano ancora t roppo lunghi per permett ere un rabbocco di energi a con brevi sost e. P er questo si è st ati cost retti a pas sare per una cat egori a di veicoli defi niti ibridi , dot ati s ia di motore termico che di m otore elet tri co. La t razione avviene a s econda del ti po di vei col o ibrido, ma sicuram ent e quest a cl ass e cerca il sost egno dell a tecnol ogi a el ett rica per avere el evat e autonomi e e li mit are i consumi . Il controllo del motore termi co durante il moto è oram ai studi ato da moltissi mi anni, m entre il cont rollo di un mot ore elet tri co è tutt ora in fase di conti nua ri cerca e sviluppo. Infat ti, con l ’introduzione di
l’introduzione di un nuovo metodo di controllo che prende il nome di “Controllo Predittivo” cer ca di ottimizzare ulteriormente la propulsione el ettrica. L’approcci o di tipo predittivo può ess ere utilizz ato con divers e modalit à. Oggetto di studi o in questa tesi è il cont roll o preditti vo implementato per l a regol azione di correnti di st atore di un mot ore brushl ess . Nel C apit olo 1 è present ato uno st at o dell’art e di caratt ere generale, che spazia dall e ti pologi e di vett ure el ett ri che al le batteri e utilizzat e a bordo , pass ando dai vari tipi di propuls ori el ett ri ci verosi milm ent e utili zzabili . Nel C apitol o 2 vi ene des crit to , a livell o teori co, il si ste ma utilizzato nell e sim ulazioni , prest ando parti col are att enzione all a macchina sincrona brushl ess a magneti perm anenti ed al suo cont rollo vett ori al e olt re che all a t ecnica per un corretto deflus saggi o. Nel Capit olo 3 è descritto il cont roll o preditt ivo di corrente utilizzat o nell e sim ul azioni , con parti col are ri guardo all a com pens azione del ritardo di calcol o necess ari o per ottimizzare ulteriorm ent e il cont roll o del mot ore di t razione elettri co. Nel Capit olo 4 è des critt a l a m odel lizzazione del veicolo elet tri co ibrido i n am bi ent e Simulink di M atl ab, rim andando alle Appendi ci A e B per l a event uale consult azione dei codi ci impl ement ati . Infi ne, nel C apit olo 5, sono pres ent ati i risult ati ottenuti con vari t ip i di prove per verificare il corretto funzionamento dell’algoritmo di controllo proposto.
C
C
a
a
p
p
i
i
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l
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1
1
VEICOLI ELETTRICI: STATO DELL’ARTE
1.1 Introduzione
Il veicolo el ett ri co ( Elect ri c Vehi cle – EV) è una ti po logi a di autom obil e spint a da una propulsione di ti po el ett ri co. In quest a class e di veicoli possi amo di stinguere quelli muniti di bat teria ( Batt er y El ectri c Vehi cl es – BEVs), quelli ibridi (Hybrid Electric Vehicles – HEVs) e quelli dotati di cell a a combusti bi le ( Fuel C ell Elecrti c Vehi cl es – FCEVs ). Al giorno d’oggi questi veicoli sono in differenti fasi di sviluppo, fronteggiano differenti obiett ivi e richi edono differenti strat egi e.
Per com prendere megl io quali sono gl i obi ett ivi e i punti deboli di quest e categorie si può oss e rvare l a Tabell a I. Si può not are che il probl em a princi pal e dei veicoli el ett rici dot ati di batt eri a ri guarda le batt erie stesse e qui ndi s ono preval ent em ent e adat ti a pi ccoli vei coli che coprono brevi di st anze, con richi est a di velocit à ridott e e l a nece ssit à di batteri e di pi ccol e dim ensi oni. I vei coli i bri di pos sono m egli o assolvere l e esi genz e degli ut ent i a discapito del prez zo. I vei coli ad idrogeno hanno un grande potenzial e a lungo termi ne ma la t ecnologi a at tual e non è ancora in grado di s ostenere un ins erim ento m assi vo di quest a class e nel mercato a caus a del cost o del carburant e (idrogeno) e del suo sist em a di distribuzione.
Nel prossim o futuro si è st imato che la popol azione global e aum ent er à fino a 10 mili ardi e i l num ero dei veicoli arriverà a 2.5 mil iardi. S e tutti
questi veicoli fos sero movim ent ati da un mot ore a combusti one int erna da dove si pot rà es trarre t utto il pet rolio necess ario? Dove verranno disseminat e tutte le emiss ioni? Il ci elo sarà perm anent em ent e gri gio? Le tristi ripost e a qu es te dom ande cos tri ngono l a popolazi one a fare uno sforzo per avere nel XXI secolo dei m ezzi di t rasport o s empre m eno inqui nanti.
T A B E L L A I – C a r a t t e r i s t i c h e d e i B E V , H E V e F C E V [ 1 ] .
I vei coli el ett ri ci ris pondono perfett amente a quest e esi genz e. Infatti, per quanto ri guarda gli obiett ivi in t ermi ni ambi ent ali , i vei coli el ett ri ci sono a zero emis si oni. Nonost ant e si a importante tener conto dell e centrali elettriche necessarie per rifornire tali vetture, l’uso dei veicoli el ettrici ri durrebbe not ev olm ente l’i nqui nam ent o dell ’ari a. Dal punto di vist a energetico, i vei coli elettri ci possono offri re un ’energi a sicura, gl obal e e bil anci at a, effi ci ent e e d ecosost eni bile, così com e l ’utilizzo dei vari ti pi di energi e ri nnovabili.
1.2 Passato, presente e futuro dei veicoli elettrici
1.2.1 Pass ato
Il veicolo elettrico è stato inventato nel 1834. Durante l’ultima decade del X IX s ecol o, qual che costruttore produss e vei coli el ett ri ci in Ameri ca, Inghilt erra e Franci a. A caus a dell e limit azioni ass oci at e alle batt eri e e al rapido s viluppo dei veicoli movi mentati da m otori a combus tione interna ( Int ernal C ombus tion Engine Vehicles – ICEVs), i veicoli el ettrici s comparvero dall a scena attorno al 1930. Nei pri m i anni ’70, al cuni paesi , cost retti dall a cri si energeti ca, inizi arono a interess arsi nuovam ent e ai vei coli elettri ci . In questo periodo la domanda principal e alla quale si doveva rispondere era: “Può un veicolo elettrico svolgere un lavoro efficiente nella società moderna?”. Gli sviluppi negli anni di questa class e di vei coli hanno perm ess o di ris pond ere posit ivam ent e a questa domanda. Sempre attorno agli anni ’70, i veicoli elettrici erano in fase di ri cerca e svi luppo e molti di questi erano conversioni di vei coli tradizionali . Oggi l a maggior part e di cos trutt ori offrono vei coli el ett ri ci a p rezzi r el ativam ente accessibili e, contrari am ent e al pass ato, i n gran part e non sono conversioni di aut ovett ure convenzionali ma vei coli apposit am ent e progettati .
A sua volt a, il concetto di vei col o ibrido è vecchi o alm eno com e quello di automobil e. Il pri mo obie ttivo in realt à non fu quello di diminui re il consumo di carburante m a, alla pari del vei colo el ett ri co, i ncrem ent are l e performance dell’automobile, nello specifico del motore termico. I primi vei coli ibridi ris al gono a poco pri ma del 1900 . Per es empi o , mostrat o al salone di Pari gi nel 1899, Henr y P ieper pres entò un ibri do parallelo spint o da un propuls ore di esel raffreddat o ad aria assi stito da un motore el ettrico e batt erie al piombo. S empre Pi eper pres entò, nell o st ess o anno, un i bri do seri e deri vat o da un veicolo puro el ett rico comm erci alm ent e costruito da Vandovelli e Priestly. Fino agli anni ’90, i veicoli ibridi furono prodotti sol ament e a livello di prototipi o al m assim o in misura
est remam ente l imit at a a causa del focaliz zarsi dei ri cercatori sui v ei coli puro-el ett ri ci. Dagli anni ’90 invece il concetto di vei col o ibri do di ventò di fort e int eres se quando di venne chiaro che il veicolo el ett rico non poteva realizzare l’obiettivo di risparmiare energia.
1.2.2 Present e
Nel pres ent e, l a f orza che s pinge m aggi orm ent e lo s viluppo dei vei coli el ettrici è l egata all a questione am bi ent al e , piutt osto che il precedent e obi ettivo di ris parmi o energetico. A causa di ci ò , ora si va cercando una risposta alla domanda: “Può un veicolo elettrico essere conveniente?”. I princi pal i fattori che pos sono renderlo tal e sono l’aut onomi a e i costi. Per una m aggi ore autonomia, l o s viluppo di accumul atori di energi a com e batt erie al Ni ckel -idruri m et alli ci (NI-M H), batt eri e all o Zinco/ ari a e batt erie agli i oni di Liti o ( Li - Ion ) è i n corso d’opera. Tuttavi a, dato che sia l’energia specifica che la densità di energia delle batterie sono più bas se rispetto a quell e dei combust ibili fos sili, lo svil uppo dell e celle a combustibile ha subi to una brusca accel erazione.
Nel fratt empo an che la comm erci alizzaz ione dei veicoli i bri di è s alit a rapidam ent e. I vei coli ibridi essenzi alm ente mi gl iorano l’aut onomi a e l e perform ance dei vei coli el ett ri ci a di scapi to di una el evat a co mplessit à e di un costo m aggiore a caus a del l’aggiunta del mot ore t ermi co e di alt ri accessori . Per dimi nuire i costi sono stati fatti num erosi sforzi per mi gliorare la parte elett ri ca del vei colo, com e il motore elett ri co, i convertit ori di pot enza, i cont rolli elet tronici , l a gest ione dell e unit à energetiche, i carica batt eria, le batt eri e stes se e alt ri access ori ausil iari, al pari dell’integrazione di tutti i componenti e della loro ottimizzazione.
1.2.3 S viluppi f uturi
Per quanto ri guarda gli s vil uppi ris ulta util e oss ervare un po’ di lett erat ura. Nei vei coli el ett r i ci i motori ad induzione ( Induct ion Mot or – IM) e i m otori a m agneti perm anenti ( Perm anent Magnet – PM) sono
quelli che preval gono, i motori alim entati a corrent e conti nua ( Di rect Current - DC) s ono in calo m ent re i mot ori “Swit ched R el uct ance” (SR) sono in una fas e di stallo. Per quanto concern e l e vari e sorgenti di energi a, per i vei coli el ett rici si prendono in consi dera zione l e batt eri e a l piombo ( Lead-Acid – LA), a base di ni ckel ( Nickel -Bas ed – NB), a base di litio ( Lithi um -Bas ed – LB), celle a com busti bil e (FC s) e condens atori/vol ani ( Capacit ors/ Fl ywheels – C Fs ). Quest e ultim e tre tipologi e (LB, FC e CF), risult ano s empre più i nvit anti , ment re l e prim e due (LA e NB) sono sempre e conti nuam ent e svil uppat e e migli orat e. Riferendosi al vei col o in generale , si oss erva com e l a convers i one di una vett ura tradizi onale in e l ett ri ca non at tragga com e l’acqui sto di una vettura “nata” elettrica e come i veicoli ibridi riscuota no sempre maggiore int eres se. È da osservare infine che l a t ecnol ogi a el ettrica è gi unt a all a fas e dell a commerci alizzazione.
Nel le prossim e decadi , com e gi à anticipato , i veicoli elett ri ci e i veicoli ibri di s aranno com m erci alizzat i m assi vament e e avranno i loro s ett ori di mercato. I vei coli el ettric i saranno ben accet ti da divers e pa rti di mercato , cioè dagl i utenti per il t raporto pubbli co, nei l uoghi dove l’energia elettrica è a basso costo e dove per circolare in particolari zone sono ri chi est e emis sioni null e. I veicoli ibri di avranno un a part e di mercato per quegl i utenti che desiderano avere grandi aut onomi a . Ultimo, m a non m eno import ant e, è il costo dell e rispetti ve t ipologie di propulsi one. La commerci alizz azione dei vei col i a idrogeno , dotati di cella a com busti bil e , avverrà nell e decadi successi ve e risul ta che abbiano il pot enzi al e per pot er forni re la stess a aut onom ia e l a st es sa perform ance dell e aut omobi li cont em poranee spi nt e da un mot ore termico, ma at tualm ente sono ancora all e prim e fasi di s viluppo.
Riass um endo, l a propuls ione el ett ri ca e l e batt eri e conti nueranno ad essere le tecnologi e chi ave all e quali bisognerà rivol gere m aggiore att enzione, i vei coli elett ri ci e quelli ibridi potranno coesist ere , m ent re energi a, am bi ent e e economi a dovranno essere i punti cruciali per l a
comm ercializz azione del vei colo el ett rico . La Fi gura 1.1 most ra i previs ti t rend di svil uppo [1] dei veicoli el ettrici e dei veicoli ibridi. Può ess ere not at o com e al cune t ecnologi e di base possono ess ere condivi se tra l e varie propulsi oni. L’ultim o obietti vo da pe rs eguire nel XX I secol o è l’uso di una energia pulita, efficiente e intelligente per realizzare un sistema di tras porto sost enibile.
F i g . 1 . 1 : T r e n d d i s v i l u p p o d e i v e i c o l i e l e t t r i c i e d e i v e i c o l i i b r i d i [ 1 ] .
1.3 Stato attuale
Dopo mol ti anni di sviluppo, l e t ecnol ogi e dei vei coli el ett rici st anno divent ando m ature. Molt e t ecnologie avanzat e sono ut ilizzate per
est ender e l’aut onom ia e ridurre i cost i. Per es em pio, a livel lo di propulsi one, l ’us o di avanzati m otori a induzione o motori brushl ess per mi gliorare il si stem a di propulsi one el et t rica, l ’utilizzo di batt erie al piombo regol at e da valvole ( valve-regul at ed lead -acid – VR LA), N I-M H, agli ioni di Litio, cell e a combusti bile e super condensatori per mi gliorare l e s orgenti energeti che. Alt ri mi glioram enti pos s ono ess ere ottenuti att raverso l ’applicazione di una scocca leggera m a di mat eriale ri gi do di el evat a tecnologia, con un basso coeffici ente di penet razione del veicolo per migliorare l’aerodinamica, con la riduzione dell’attrito di rotolam ento dell e gomme per mi gliorare l e prestazi oni anche a bass a e media velocità, così come l’adozione di avanzati carica batterie, di servosterzo, di s edi li ris caldati , il t utt o per increm entare i pacchet ti ausi liari dei vei coli el ettrici .
Per quant o ri guar da i veicoli i bridi , i maggiori cost rut tori di auto ne hanno sviluppato di vers e tipologie. In accordo al li vel lo di pot enza el ettrica e all a funzione del m otore el ettri co, i vei coli ibri di possono essere cl as sificati nelle seguenti cat egori e:
1) Micro ibrido: la tipi ca pot enza del motore el ett ri c o per un veicol o micro ibrido è ci rca 2.5 KW a 12 V. Ques to è ess enzi al ment e l’integrazione di starter e alternatore nel convenzionale veicolo dot ato di mot ore a combustione int erna. La funzione pri nci pale del motore el ett ri co è l o start &s top. Nell a guida i n citt à , dove fermat e e ri part enz e sono frequenti , l ’energia ris parmi at a può raggi ungere circa il 5 -10%. Il costo di un micro i bri do è sol o percent ual m ent e di poco m aggi ore ri spet to a un vei colo convenzional e, poi ché il motore el ett ri co è pi ccolo e la st rutt ura è sem pli ce.
2) Medi o ibrido : l a tipi ca pot en z a del mot ore elet tri co per un veicol o medi o i bri d o è circa 10 -20 KW a 100 -200 V. In questo caso, il motore el ett ri co è dirett am ent e accoppiato al motore t ermico . L’elevato rapporto del diametro sulla lunghezza del motore perm ett e al motore s tesso di avere un i nerzia el evat a , paragonabil e
all’originale volano del motore termico che quindi, a sua volta, può es sere rimos so. Il motore el ettrico può ess ere i ns eri to nel l a propulsione come un’architettura di ibrido parallelo. Nella guida in citt à tipicam ent e s i può ri sparmiare energi a per il 20-30%, ma il cost o aum ent a a sua volt a del 20 -30%.
3) Ibrido com pleto: l a tipica pot enz a del motore el ett ri co per un vei col o ibrido com pl eto è ci rca 50 KW a 200 -300 V. Norm alm ent e, è pres ent e un motore el ett ri co, un generatore e un mot ore t ermi co che adottano l’architettura di serie -parallelo o ibrido complesso. Con l’aiuto dei dispositivi per la ripartizione della potenza come un roti smo epi cicloi dal e, il fl usso di potenz a fra mot ore termico, motore elettri co, generat ore e batt erie è flessi bil e , con lo s copo di ottenere un’ottima performance di guida alla massima efficienza in termini di energi a e con l e mi nim e emiss ioni. La propul sione p uò anche ess ere es eguit a o solo con il motore elet tri co per partenze e ferm at e, o sol o con il motore t erm ico per vi aggi are a velocit à di crociera ogniqual vol ta il mot ore st es so è nell a regi one di ottimo utilizzo. Nel caso in cui si a necess aria una improvvi s a accel erazione oppure quando si è in condizioni di guida normali quando l a pot enz a ri chi est a per l a propul sione è inferiore ris pett o al range di potenza ottimo per il mot ore termi co, si può uti li zzare una combi nazione dei due m otori . In quest ’ulti mo caso , il m otore guida il generatore per cari care la batteria, il motore t ermi co forni rà pi ù pot enza di quel la ri chiesta per l a propuls ione che l o riport erà n ell a regione di ot timo utilizz o . Ti pi cam ente, un i brido com plet o nell a guida in citt à può risparmiare e nergi a per ci rca il 30-50% m ent re i l costo aum ent a di ci rca il 30 -40%. I vei coli i bridi com plet i pos sono es sere a loro volta suddivisi i n ibridi sinergi ci e ibri di di pot enza. Gl i ibridi sinergi ci trovano un comprom ess o t ra la performance di guida, l’efficienza dell’energia e la riduzione dell e emissioni. In quest a sot tocat egoria, il m otore t erm ico è
sottodimensi onato confrontato con i vei coli tradizion ali. Gli ibri di di potenza punt an o invece ad avere una mi gliore perform ance di guida, quindi il motore non è sott odim ensi onato e , con la ass oci azione di un motore el ett ri co, il vei col o avrà una mi gl iore perform ance di guida a confronto dei vei coli convenzionali .
In accordo con i m etodi di ri fornim ent o dell’energi a, i veicoli ibridi poss ono essere s uddi visi i n alt re due cat egori e:
1) Rifornim ento i n s taz ione di s ervizio: il vei col o è ri fornit o con il com busti bil e (com bustibili foss ili, benzina, di es el, GP L, i drogeno, biocombustibili).
2) Ibrido Plug - In: il vei col o è ricari cat o dall a rete el ett ri ca.
Nel la t abell a II vengono confront ati i vei coli el ett rici e tut te l e tipologi e di vei colo ibrido s opra elencat e.
1.4 Filosofia ingegneristica e sviluppo dei veicoli
elettrici
1.4. 1 Con cetto di vei col o elettri co
Nonost ant e il vei col o elettri co risal ga a prim a del XX s ecolo, il moderno veicolo elettrico è completamente diverso dal “classico”. Non è solo un mezzo di t rasport o m a anche un nuovo ti po d i equi paggi am ent o el ett ri co. Il m oderno vei colo elett ri co può ess ere ri ass unto com e s egue:
1) Il vei col o elet tri co è un vei colo st radal e bas ato su una moderna propulsi one el ettrica che consi st e in un mot ore el ett rico, un convertit ore di potenza e una sorgent e di energi a e può avere differenti caratteri sti che.
2) Il vei col o elettri co non è sol o un’aut omobile, m a un nuovo si stem a per la soci et à, che realizza un m ezzo di trasport o su strada pulito ed effici ente.
In maniera analoga agli orol ogi el ett ronici al quarzo che di fferis cono nell’architettura rispetto agli orologi meccanici a molla, così l’archit ett ura dei vei coli el ett rici ha le propri e caratt eri stiche ch e poss ono di fferi re da quell e dell e tradizi onali aut ovetture motorizzat e da un m otore t ermi co . In breve, a ppaiono molto simili , m a i l oro principi sono molt o di vers i.
1.4. 2 Fil osofia ingegneri sti ca del vei col o elett ri co
La filosofia ingegneristi ca del vei colo el ett ri co è ess enzi alm ent e l’integrazione tra l’ingegneria automobilistica e l’ingegneria elettrica. Per ottenere buone perform ance e cost i accessibili per i vei coli el ett rici , i sist emi di int egrazione e di ot timizzazi one sono i primi da prendere in considerazion e. Poi ché l e caratt eristi che di un propulsore el ettri co sono fondam entalment e differenti da q uell e di un propulsore termi co, è essenzi al e che ci sia un nuovo approcci o di proget tazione per l’ingegneria del veicolo elettrico. Oltretutto, avanzate sorgenti di
energia e un utilizzo intelligente dell’energia stessa sono chiavi fondam entali per perm ett ere ai vei col o el ett ri ci di com pet ere con i vei coli dotat i di m otore a combustione i nterna. Ovvi am ente, il costo generale effettivo è un fattore fondam ental e per l a commerci alizzazione dei veicoli el ett ri ci.
Il nuovo approcci o di progett azione dei vei coli el ett ri ci moderni deve includere lo stato dell’arte della tecnologia dell’ingegneria aut omobi listi ca, chi mica, elet tri ca ed el ettroni ca, adott are un desi gn uni co, parti col armente adatto per i vei col i el ettrici , e svil uppare speci ali tecni che di produzione apposit e per quest i vei coli. Ogni sforzo deve essere fat to per otti mizzare l ’utilizzo dell ’ energi a dei veicoli el ett ri ci. Per una corrett a progett azione di un vei colo el ett ri co bi sogna t ener conto dell a seguenti consi derazioni :
1) Identi fi care il s ettore di m ercato .
2) Det erminare l e s peci fiche t ecni che com preso il ci clo di utilizz o . 3) Det erminare l e infrastrut ture necess ari e incl udendo il ri ci claggio
dell e batteri e.
4) Det erminare la confi gurazi one general e del sist em a (confi gurazione BEV, HEV o FC EV) .
5) Det erminare l a st rut t ura m eccanica.
6) Det erminare l a sorgent e di energia – generazione o immagazzinam ento, singolo o ibrido.
7) Det erminare il s istem a di propulsione – mot ore el ett rico, convertit ore e ti po di trasmissione, mot ore singolo o multi plo, con cambio o senza cambio, i m etodi di mont aggi o, e il motore a com busti one i nterna nel caso di vei colo i brido.
8) Det erminare le specifi che dell a propuls ione el ett ri ca (pot en za, coppi a, velocit à) e la sorgent e di energi a (capacit à, t ensi one , corrente) i n accordo con i vari cic l i di guida; per esempio, in al cuni casi si dovrà viaggi are a bassa vel ocit à e a d alt a coppi a, in alt ri ad alt a velocit à e bassa coppia .
9) Adott are una centrali na int elli gente .
10) Analizzare l e int erazioni dei sottosist emi dei vei coli el ett rici utilizzando la m atri ce dell a cas a della qualità com e most rato in Fi gura 1.2, quindi com prendere i gradi di interazione che infl uis cono s u cost o, performance e si curezza.
11) Ottimizzare l ’effi cienza dell a motorizzazione in accordo con la modalit à di guida s el ezionat a e l e con dizi oni operative.
12) Ottimizzare il si st ema in general e uti lizzando simul azioni al com put er .
1.4.3 Punt i chiave della tecnologi a dei vei coli el ett rici
I punti chiave del la t ecnol ogi a dei vei coli elet tri ci includono l a tecnol ogi a per l ’automoti ve, l a t ecnologi a el ett rica, l a tecnologi a elettronica, la tecnologia dell’informazione e la tecn ologia chimica. Sebbene l a sorgent e energeti ca si a l ’area di i nteress e cruci ale, la proget tazi one d ell a strutt ura, l a propulsione elet tri ca, l a gestione dell’energia e l’ottimizzazione del sistema sono in ugual modo importanti. Infatti, l’integrazione di tutte queste aree sono la chiave del success o.
1) Pr ogettaz ione dell a struttura : ci sono due approcc i bas e per produrre i vei coli el ett rici – la conversione o l a progett azione ex -novo. P er i vei coli el ettrici che derivano dall a conversione di vei coli tradizionali , il motore termico e l’equipaggiamento associato dell’automobile esistente sono sos tituit i d al motore el ett ri co, dal convertitore di pot enz a e dall e batt erie. Quest o approccio è rel ati vam ent e economi co per un pi ccolo volum e di produzione in quanto si uti lizzano i tel ai dell e cl ass iche aut ovetture equipaggiat e con il motore a combustione i nterna. Tutt avi a, in molt e conversioni, il veicolo elettri co che ne deri va s offre di un maggior peso a vuoto, un alto bari cent ro e una dist ribuzi one del peso non bi lanciat a. Qui ndi, ques to approccio sta via vi a andando in dis uso. Nel pres ent e, infatti, i moderni v eicoli el ett rici sono proget tati con t ale scopo e sovrast ano in modo defi nitivo quelli convert iti in quanto gli ingegneri hanno maggiore fl essibilit à per coordinare ed i nt egrare i vari sottos ist emi del vei colo el ett ri co che possono l avorare ins iem e effi ci ent em ent e.
Esist ono molti concetti di progett azione che pos sono ess ere mi gli orati per increm ent are l a perform ance general e del vei col o el et tri co come l’autonomia, la pendenza superabile, accelerazione e la velocità massi ma. Questi concetti includono inolt re s alvare pes o, avere un basso impatto frontale con l’aria del corpo della vettura e un basso attrito tra gomm a e asfalto. Prim a di tutt o, il peso total e influenza mol to l a
performance del veicolo elettrico, specialmente l’autonomia e la pendenza s uperabile . Per ridurre il peso a vuoto, si adott a l’uso di mat eri ali l eggeri come al lumi nio e m at eri ali com posi ti per la struttura meccani ca. S econdo, avere una buona penet razione nell ’ari a può effettivam ent e ridurre l a resist enz a aerodinami ca del veicolo, che port a a un significativo incremento dell’autonomia in viaggi lunghi o a velocità di crociera costant e. In general e, la res i stenz a aerodi namica può ess ere ridotta affusolando la parte anteri ore e post eriore, adott ando un fondo piatt o, ottimizzando il flusso d’a ria att orno ai fi nestri ni, utili zzando rear spat s, i ncanal ando i flus si d’ari a lungo l e gomm e ant eriori e posteri ori e utilizzando il mus o ant eriore inclinato. Terzo, la riduzione dell a resistenza al rotolamento tra le gomme e l’asfalto può risulta re conveni ent e nel ridurre la resist enz a a basse e medie velocit à e gi oca un ruolo importante nell’estendere l’autonomia nei tratti cittadini. Questo può essere raggiunto con l’utilizzo di nuovi polimeri miscelati alle gomme insieme all’incremento della pressione della gomma stessa. 2) Gestione dell’energia : com parato ai vei coli dot ati di mot ore termi co, i vei coli el ett ri ci offrono un’autonomi a rel ativam ent e bas sa . Per quest o, per massimizzare l’utilizzo dell’energia fornita a bordo, è necessario adottare un a cent ral ina int elli gent e. Uti lizzando i sensori di input dai vari s ottosist emi del vei colo el ett ri co, includendo i sensori dell a temperatura i nterna ed est erna, corren te e t ensi one del la sorgente energetica durant e l a cari ca e l a scari ca, corrent e e t ensi on e del motore elettrico, la velocità e l’accelerazione del veicolo, così come il clima esterno e l’ambiente, la centralina può realizzare le seguenti funzioni:
1) Ottimizzare il fl uss o di energi a.
2) Prevedere la ri manente energia util izzabile e quindi l’autonom i a residua.
3) Suggeri re il pi ù effi cient e stil e di guida.
4) Diri ge l ’energi a di recuper o derivat a dal la frenata a sorgent i energetiche ricetti ve com e, ad esempi o, l e batteri e.
5) Modul are l a t emperatura i n funzione del clim a est erno.
6) Modi fi care l a brill antezza dei fari i n risposta all’am bient e est erno. 7) Proporre un al goritm o adatto per la ri cari ca dell e batt eri e.
8) Analizza re la stori a dell e operazioni dell a sorgent e energeti ca, speci alm ent e delle batt eri e.
9) Diagnosti ca re ogni operazi one non corret ta o componenti di fettosi dell a sorgent e energeti ca.
Quando l a cent ralina è accoppiat a con un s ist ema di navi gazione, può pianifi care una vi a effi ci ent e per il consumo energet ico, l ocalizzare i punti di ri carica per vi aggi lunghi e modifi care l e previsi oni dell’autonomia in base alle condizioni del traffico.
3) Ottimizzazione del sist ema : Com e dett o pri ma, il vei colo elett ri co ha una compl es sa archi tettura che com prende t ecnologie multi disciplinari. Da quando le performance dei vei coli el ett rici sono influenz at e da molti fat tori multidi scipli nari e int er rel azion ati t ra loro , la si mulazione al computer è la più importante tecnologia per effettuare l’ottimizzazione dell’incremento della performance e riduzione dei costi. Inoltre, la simul azione aiut a i produttori a minimizzar e l e s pes e per l a prot otipazione e i t empi e per fornire valutazioni concett ual i rapide. Da quando l’intero sistema del veicolo elettrico è costituito da vari sottos ist emi raggruppati att ravers o connessi oni m eccani che, elet tri che, termiche e controlli, la simul azione deve ess ere bas at a sul concetto di segnal i mi sti. Quindi, l ’ottim izzazione può ess ere effettuat a a li vello di sistema medi ando t ra i vari sott osist emi . General mente, s ono coinvolti num erosi processi i terati vi. Ri assum endo, la sim ul azione a live ll o di sistema e ottimizzazi one dei vei coli el ett rici può ess ere consi der at o con i seguenti punt i chi ave:
1) Le int erazioni t ra i vari s ottosist emi influenzano l e perform ance dei veicoli elettrici, l’importanza di queste interazioni devono essere analizzat e e prese in consi derazione.
complessità del modello ma può essere in conflitto con l’usabilità del m odello stesso; deve ess ere trovato un com prom esso tra accurat ezza, compl essit à e usabi lit à così com e deve essere considerat o il tempo di sim ulazi one.
3) La t ensi one del sistem a general ment e causa problemi contraddittori per l a progett azione del vei colo el ettrico, incl uso il peso dell e batt eri e (un alt a t ensi one ri chi ede un alt o num ero di moduli in s erie, quindi più peso), la tens ione del motore e i rapporti di corrente, la performance di accelerazione, l’autonomia e l a s icurezza devono ess ere ottimizzati a li vel lo di si st ema.
4) Per aum entare l’aut onomi a , nei m oderni vei coli el ett ri ci possono ess ere adott at e molt epli ci sorgenti di energi a. La corrispondente com binazione può es sere ottimizzat a in bas e all a perform ance del vei col o e al costo .
5) Poiché i vei coli el et tri ci generalm ent e non adottano il cambio, il rapporto di t rasmissi one può i nflui re sull e per form ance del veicol o e sull a guidabili tà. Un rapporto ot tim al e deve es sere det erminat o att ravers o ot timizzaz ioni it erative s otto di fferenti profil i di gui da.
1.5 Configurazioni dei veicoli elettrici
Confront ati con i tradizionali veicoli dotati di motore a combus tione interna, l a confi gurazione del vei colo el ettrico è pi uttosto flessibil e. Quest a fl essi bilit à è dovut a a di vers i fat tori . Primo, il flusso di energi a nel veicolo el ett ri co vi aggia principal ment e att raverso cavi elettri ci piuttosto che att raverso connessi oni meccani che ri gide. S econdo, differenti fasi dell a propul sione coi nvol gono si gni fi cative differenz e nell a confi gurazione del si st ema. Terz o, differenti s orgenti di energi a nel vei col o elettri co (come batt eri e o cell e a com bust ibil e ) hanno di fferenti
caratt eristi che e d iversi sist emi di ri cari ca.
La Fi gura 1.3 mos tra che l a composizione del vei col o e l ett rico consist e in tre pri ncipali s ott osist emi – propulsi one el ett r i ca, sorgent e energetica e ausi liari .
F i g . 1 . 3 : S c h e m a a b l o c c h i d i u n g e n e r i c o v e i c o l o e l e t t r i c o [ 1 ] .
Il sott osist em a dell a propulsione el ett rica comprende il sistema di controllo el ett ronico, il convertitore di pot enza, il mot ore elett ri co, la trasmiss ione m eccanica e l e ruote mot ri ci. Il s ottosi st ema del la s orgent e energetica com prende l a sorgente energetica, l’unit à di controll o dell’energia e l’unità di rabbocco dell’energia. Il sistema ausiliario consiste nell’unità di servosterzo, nell’unità di controllo della temperatura e nell a forni tura di potenza ausili ari a. Ne ll a Fi gura 1.3, una
connessione meccanica è rappres ent at a con una doppi a linea, una connessione elet tri ca con una linea spes sa e una connes sione di controllo con una li nea sotti l e. La frecci a i n ogni linea denot a l a di rezi one del flus so di pot enz a elett ri c a o le com unicazion i dell e i nformazioni di controllo. Basat o sul controllo in input dei pedali di accel erazione e frenat a, i l si stema di cont rol lo el ett roni co fornis ce i s egnali di com ando ai dis posit ivi di pot enz a del converti tore st atico che ha l a funzio ne di regol are il flus so di pot enza t ra il motore el ett ri co e la s orgent e energetica. Il fl uss o di potenza invers o è dovuto alla ri generazione i n frenat a del vei colo el ettrico e la sua energi a di recupero può ess ere accumul at a a patt o che la sorgent e di en ergi a s ia ri cettiva. Da not are che molte dell e batt eri e disponi bili per i vei coli elet tri ci (ad eccezione di al cun e ari a/m et allo) all a pari dei supercondens atori accettano rapidamente l’energia di recupero. L’unità di controllo dell’energia coopera con il sist ema di cont roll o el ett roni co per gesti re il recupero di energia in frenata. Questa inoltre lavora con l’unità di rabbocco dell’energia per controllare la ricarica e mo nitorare l’usabilità della sorgente dell ’energi a. Il fornit ore di pot enza ausili aria forni sce l a pot enza necess ari a con differenti livelli di tens ione per tutt i gl i aus ili ari del vei colo el ettrico, special mente al controllo della tem perat ura e al servosterzo.
Al giorno d’oggi, esistono molte possibilità di configurazioni del veicolo el ettrico dovut e al l a vari azione del la propulsi one elet tri ca e dell a sorgente energeti ca. Focalizzando l’att enzione sull a vari azion e della propulsi one el ettrica, s i dis tinguono sei ti pi che alt ernat ive, com e mostrat o in Fi gura 1.4.
a) La Fi gura 1.4 (a) mostra l a prim a alt ernativa che è una dirett a est ens ione dell a tradizionale aut ovett ura con mot ore t ermi co adottando un motore longit udinal e nell a parte ant eri ore con l a trazi one anteriore. C onsist e in un motore e lett ri co, una frizione, l a
F i g . 1 . 4 : C o n f i g u r a z i o n e d e l v e i c o l o e l e t t r i c o d o v u t a a l l e v a r i a z i o n i d e l l a p r o p u l s i o n e e l e t t r i c a [ 1 ] .
scatol a del cam bio e un di fferenzi ale. Incorporando l a frizione e l a scatol a del cam bio l ’autom obili sta può cambi are marci a e, quindi , la coppi a appli cat a all e ruote. All e ruot e è appli cat a una coppi a
el evata a bas sa vel ocit à con rapporti bassi e una coppi a bas sa ad alt a vel oci tà con rapporti alti . Il differenzi ale è un dispos itivo meccani co che perm ett e all e ru ot e di es sere condott e a vel ocit à differenti durante l e curve – quel la es terna copre una dis tanz a superi ore ri spetto a quell a int erna. Quest a confi gurazione era molto utilizzata nei veicoli convertiti in vei col o el ettrico per massimizzare l’utilizzo dei componenti già e sistenti.
b) Sostituendo l a s cat ol a del cam bio con un rapporto di trasm iss ione fisso e, qui ndi, ri muovendo l a frizione , si a il peso che l a dimensione dell a t rasmissione m eccani ca risult ano ridotti . La Fi gura 1.4 (b) mostra quest a s oluzione , che consist e in un m otore el ettrico, un rapport o di trasmissione fi s so e un di fferenzi al e. Da not are com e quest a confi gura zione di vei col o el ett ri co non sia adatt a per i vei coli dot ati di m otore a combus tione int erna i n quanto s enz a frizione e scatol a del cambio non può o ffri re l a caratt eristi ca desi derat a di coppia -velocit à.
c) Simile al concetto di motore t rasvers al e nell a parte anteriore con trazi one ant eri ore dei vei coli tradizionali dot ati di m otore t ermico, il motore elet tri co, il rapporto di trasmiss ione fiss o e il differenzi al e sono integrati in un singolo blocco, ment re ent rambe gl i assi punt ano all e ruote di trazione. La F i gura 1.4 (c) m ostra questa confi gurazi one, che è, di fatto, l a più com une adott at a dai vei coli elet tri ci moderni.
d) L’effetto di un differenzial e m e ccani co i n un veicolo el ett ri co può essere ottenuto attraverso l’azione di due motori elettrici che operano a differenti vel oci tà . La Fi gura 1.4 (d) most ra quest a confi gurazione nell a qual e due mot ori el ett ri ci fornis cono separatam ente t razi one all e ruot e di trazi one attravers o un rapporto di trasm issi one fi sso.
e) Al fine di ridurre ulteriorm ent e le trasmissioni m eccaniche dal motore el ettrico all e ruot e di trazione, il motore elet tri co può
essere posizionato all’interno della ruota. Quest a soluzione è chi am at a trazio ne all ’int erno della ruot a. La F i gura 1.4 (e) m ostra questa confi gurazione nella qual e un rotis mo epici cl oidal e con rapporto di t rasmiss ione fisso è utilizz ato per ridurre l a vel ocit à del motore all a velocit à della ruota desi derata. Deve es sere no t ato com e il rotism o ep i cicloi dale è favorito i n quest a sol uzione poiché offre i vant aggi di una fort e ri duzione del rapporto di t rasmis sione ad al ta velocit à così com e una disposizione in linea degli al beri di ingres so e us cit a.
f) Per abbandonare complet am e nt e ogni i ngranaggio m eccani co, l a tipologi a ill ust rat a al punto precedente può ess ere realizzata inst all ando un m otore elet tri co a bass a velocit à con rot ore es terno dentro all a ruota. La F i gura 1.4 (f) mos tra quest a confi gurazione senz a cam bi dove i l rot o re est erno è dirett am ent e mont at o sul cerchi one dell a ruota. Quindi , il cont roll o dell a velocit à del motore el ett ri co è equivalent e al cont rollo dell a velocit à dell a ruot a e, quindi , dell a velocit à del veicolo.
La selezi one di una delle confi gurazioni s opr a el encate dipende principalmente dalla dimensione e dall’applicazione dei veicoli elettrici; i crit eri maggiorm ente utilizzati per la selezione sono la com patt ezza, la performance, il peso e il costo. Al giorno d’oggi le configurazioni più popol ari s ono l a (b) o la (c), m ent re le confi gurazioni (e) o (f) sono utilizzat e per dimost razi oni o prodott e su bass a s cala.
1.6 Configurazioni dei veicoli ibridi
I vei coli ibridi s ono spinti da un motore a combustione int erna e da un motore el ett ri co con confi gu razioni in seri e o in parall el o. Il mot ore a com busti one int erna fornisce al veicol o una notevol e aut onomi a che deriva dall’elevata energia specifica del carburante presente nel
serbatoio, mentre il motore elettrico aumenta l’efficienza e ottimizza il consumo del carburant e, recuperando energi a durant e l a frenat a e immagazzinando l’energia in eccesso proveniente dal motore termico durant e i movim enti inerzi ali. Tradizionalm ent e esi stono due cat egori e base dei vei col i ibri di, che prendono i n nom e di i bri do s erie e ibrido parallel o. Nei vei col i ibridi seri e, il m ot ore a com busti one forni sce un output meccanico che è convertito in elettrico mediante l’utilizzo di un generatore, collegati tra loro mediante un albero. L’energia elettrica, che deriva da t al e conve rsione, può cari care l e bat teri e oppure l e può b ypassare per ali mentare un mot ore elet tri co che a sua vol t a aziona l e ruot e dell a vett ura. Questo m otore el ett rico può ess ere anche utilizz ato per recuperare energia durante la frenata. Un vei coli i brido para ll elo ha ent rambe i m otori, t ermi co e el ettrico, accoppi ati all a t rasmis sione final e ad albero alle ruote medi ant e frizi one. Quest a confi gurazione permette ai motori di fornire pot enz a all e ruot e o contemporaneam ent e, o solo con il motore a combusti one i nt erna, o solo con il motore elet tri co. Quest’ultimo è anche utilizzato per recuperare energia durante la frenata e immagazzinare l’energia in eccesso proveniente dal motore termico durant e i m ovim enti inerzi ali. Recent em ent e sono st ati svil uppati anche vei coli ibridi seri e -parallel o e vei coli i bridi compl es si con lo s copo di mi gliorare l e prest azioni in termi ni di pot enz a e ottimizzare i consumi di carburante. Esist e, inolt re, l a possibilità di i nst all are a bordo un dispositivo che perm ett e l a ri cari ca delle batterie dall’esterno dirett am ent e dal la ret e el ettrica. Infine esist e una cl ass e di vei coli , alim ent ati ad idrogeno, che s frutt ano una cell a a com bustibil e per produrre energi a el et tri ca da t rasferi re al motore el ett ri co.
1.6.1 I brido s eri e
Nei vei coli ibrido s eri e, il motore a combusti one int erna forni sce un output meccanico che è convertito in elettrico mediante l’utilizzo di un generatore . Mot ore e generat ore sono coll egati tra loro medi ant e un
albero. L’energia elettri ca che deriva da tal e convers ion e può cari care le batt erie oppure l e può b ypass are per alim ent are un mot ore el ettri co che a sua volta aziona le ruot e dell a vett ura con una opport una t rasmis sione meccani ca. In prati ca, com e mos trato nell a Fi gura 1.5 , è un vei colo elettrico “assistito” da un motore termico, che ha come obiettivo di aumentare l’autonomia in modo che sia comparabile con le autovetture tradizionali . A caus a del di saccoppi ament o tra motore t ermi co e ruot e, si ha un vant aggi o in t erm ini di fl essi bilit à per i l cont rol lo da part e dell a cent rali na dell a coppi a mot ore termi co -generatore. Inol tre, si ha il benefi cio di una s em plici tà del le t rasmi ss ioni. S ervono t re dis positi vi di propulsi one, il motore a com busti one interna, il generatore e il motore el ettrico; pert ant o, i l rendimento del veicolo i bri do s eri e è generalment e bas so. Un ult eri ore svantaggi o è che questi dispositi vi di propulsione devono ess ere dim ensionati in base all a m as sima potenza sost enibile com e s e il veicolo aves se l o scopo di scalare una lunga pendenza, e tutto ciò rende molto cos toso il vei colo. D’altro canto, quando il vei col o è utilizzato per copri re brevi dist anz e i n pi anura, il sist ema m otore -generatore ri sult a sovradim ensionat o .
Esist ono sei possi bil ità di funzi onamento per quest a ti pol ogi a di vei coli: 1) Modalit à puro elett rico: il mot ore t ermi co è s pento e il vei col o è
azionato sol o dall e batt eri e.
2) Modalit à sol o mot ore termi co: i l vei colo è azionato solo dall’accoppiamento motore termico -generatore.
3) Modalit à combinata: sia l’accoppiamento motore termico -generatore che l a bat teria fornis cono pot enza al motore el ett ri co di trazi one.
4) Modalit à di visi one di potenza: l’accoppiam ent o m otore t ermico -generatore di vide l a potenza: da una parte ri cari ca le batt erie e dall’altra fornisce potenza per il movimento.
5) Modalit à ri cari ca in stazionam ento. 6) Modalit à ri generazione in frenat a.
F i g . 1 . 5 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o s e r i e .
1.6.2 I brido paral lel o
Nei veicoli ibrido parall elo si a il mot ore a combus tione i nt erna che il motore el ett ri co fornis cono pot enz a i n parall elo alle ruote mot ri ci. Poiché si a il m otore termi co che il mot ore el ettrico sono generalm ente accoppiati con l’albero di trasmissione delle ruote mediante due frizioni, la potenza all’albero può essere fornita o solo dal motore termico, o solo dal motore el ett rico, o da entram bi. In prat ica, com e most rat o in Fi gura 1.6, è un veicolo tradizional e assi stito da un motore el ett ri co col fi ne di raggiungere minori emiss ioni e minori consum i. Il mot ore el ett rico può ess ere utilizzat o come generat ore per ricari care l e batt eri e durante l a frenat a oppure può ass orbire pot enz a dal motore t erm ico quando quella in output da quest’ultimo è maggiore di quella richiesta. Il veicolo ibrido parallel o necess ita solo di due dis posi tivi di propul sione (vantaggi o rispett o al s erie), il motore a com bustione int erna e il mot ore el ettrico. Un alt ro vantaggi o rispett o alla confi gurazi one in seri e è che possono essere utilizzati mot ori, sia termi co che el ettrico, pi ù pi ccoli ottenendo la st essa perform ance finché l a bat teri a non è esauri ta. Anche per lunghe
percorrenz e, è neces sario dimensionare al la m assi ma pot enz a sost enibile solo il motore term ico m ent re il mot ore el ett ri co può ess ere circa la met à.
Esist ono vari e pos si bilit à di funzionam ento per gli i bri di parall eli:
1) Modalit à puro elett rico: il mot ore t ermi co è s pento e il vei col o è azionato dal solo motore el ett rico.
2) Modalit à vei colo tradizionale: il vei colo è a zionat o dal solo motore termi co.
3) Modalit à combinat a: sia il motore t ermi co che il mot ore elettri co fornis cono pot enz a all’albero di t rasmissi one.
4) Modalit à divis ione di pot enz a: il m otore t erm ico divide la pot enz a; da una parte ricarica le batterie e dall’altra fornisce potenza per il movim ent o (il m otor e el ettrico di vent a generatore).
5) Mod alit à ri cari ca in stazionam ento. 6) Modalit à ri generazione in frenat a.
F i g . 1 . 6 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o p a r a l l e l o .
1.6.3 I brido seri e -parall elo
Nel la confi gurazione serie -paral lel o, si i ncorporano nel vei col o ibri do l e caratteristiche sia dell’ibrido serie sia dell’ibrido parallelo, aggiungendo
un ulteriore collegamento meccanico rispetto all’ibrido serie e anche un generatore addizionale rispetto all’ibrido parallelo, come mostrato in Fi gura 1.7. S ebbene pos sieda i vant aggi si a del seri e che del parall elo, l’ibrido serie-parallelo è relativament e più complicato e costoso. Tutt avi a, con i progressi nel le tecnologi e di cont roll o e di produzione, al cuni vei coli ibridi moderni adot tano questo sis tem a.
F i g . 1 . 7 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o s e r i e - p a r a l l e l o .
1.6.4 I brido Com pl esso
L’ibrido complesso è simile all’ibrido serie -parallelo, poiché il generatore e il motore el ettrico sono ent rambe m acchine elettri che. Tutt avi a, la di fferenza s ost anzi al e è dovut a al fl uss o di pot enz a bidi rezionale del m otore el ett ri co nel vei col o i bri do comples s o e del flus so unidi rezional e del generatore nel seri e -parall elo. Questo fl usso bidi rezionale di potenz a può cons enti re m etodi operativi vers atil i , speci alm ent e l a modalit à con tre propulsori di pot enz a, che non può essere offerta dall’ibrido parallelo. Simile ai veicoli serie-parallelo, il veicolo ibrido complesso è affetto da un’alta complessità e cost o. C iononostant e è st at o introdott o recent em ent e un vei col o ibrido
che adott a questo si stem a per la propuls ione s u due assi . In Fi gura 1.8 sono m ost rat e l e vari e ti pologi e fi no qui des cri tte, in parti col are il vei col o ibrido com ples so i n Fi gura 1.8 (d). Nell a Fi gura 1.8 sono mostrati i corrispondenti di agram mi a blocchi funzionali dove l e connessioni el ett ri che sono bidi rezionali, l e connessioni idrauli che unidi rezionali e l e connessioni m eccani che (che i ncl udono frizione e cambio) sono anch’esse bidirezionali.
F i g . 1 . 8 : ( a ) i b r i d o s e r i e ; ( b ) i b r i d o p a r a l l e l o ; ( c ) i b r i d o s e r i e - p a r a l l e l o ( d ) i b r i d o c o m p l e s s o [ 1 ] .
1.6.5 I brido Bim odal e
Nei veicol i ibridi di tipo bimodal e il motore t ermi co aziona l e ruot e ant eriori, mentre i l motore el ett ri co azi ona quell e post eriori, per cui il recupero di energi a all a frenat a è limitat o s olamente all e ruote post eriori, com e mostrato i n Fi gura 1.9. Uno dei maggior i vantaggi di questi vei col i è l a semplicità del si stema m eccanico, i nolt re il cost o risul ta accettabil e.
F i g . 1 . 9 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o b i m o d a l e .
1.6.6 I brido Pes ant e
I vei coli tipi cament e us ati per cons egne sono uno speci al e tipo di vei coli , di soli to denominati veicoli pesanti . Quando ibri dat o, quest o vei col o vi ene denominat o ibrido pes ante. Gl i ibri di pes anti possono ess ere sia con confi gurazione seri e che parallel o e possono avere com e com busti bil e benzi na o di es el .
1.6. 7 Ibrid o Plug-in
I vei coli ibridi di t ipo plug -i n hanno una batt eria ad alta densit à di energi a che può essere caric at a est ernam ent e e, inoltre, possono
utilizzare la modalit à puro el ett ri co per un peri odo maggiore rispetto all e alt re vetture i bri de che port a al ris ul tato di un minor consum o di carburante. Negli ibridi plug -in è inst al lato a bordo un cari ca batt erie che perm ett e l a ri cari ca di rettament e dall a ret e el ett ri ca, aum ent ando l’efficienza del veicolo. La caratteristica plug -in può essere applicata su ogni tipologia di vei col o ibri do; in Fi gura 1.10 , per esempio, è mostrato un vei col o i bri do serie plug -in.
F i g . 1 . 1 0 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o i b r i d o s e r i e p l u g - i n .
1.6.8 Vei colo a idrogeno (cella a com bu stibil e)
I vei coli al iment ati a cell a a combusti bile possono essere considerati com e vei coli i bri di di tipo serie. Uno schem a d i questi veicoli è most rato in Fi gura 1.11. La cell a a combusti bil e a bordo produce el ett ricit à, che è
utilizzat a o per fornire pot enz a al motore che fornis ce propulsion e oppure imm agazzinata i n batt eri e a bordo per ess ere utilizz at a i n futuro. Quest a tipol ogi a di vei col o pur avendo el evatissi ma autonomia con zero emiss ioni è m olto costos a. Inolt re l a t ecnologi a per s frutt are a pieno questo vei col o non risult a tut tora di s ponibile, compresa la ret e di distribuzione dell’idrogeno, aggiunto al problema della produzione di quest’ultimo.
F i g . 1 . 1 1 : S c h e m a s e m p l i f i c a t o d i u n v e i c o l o a i d r o g e n o .
Poiché l a cell a a combustibi le produce una tensione che dipende fortemente dall a corrent e erogata, quindi am piament e variabile, ri sult a problematico l’utilizzo di un tradizionale inverter a tensione impressa in quanto quest’ultimo non può produrre una tens ione alternata in uscita che si a più grande dell a tensione continua i n ingress o e si rende necessario l’utilizzo di un secondo convertitore di tipo “boost” tra la cella a combustibile e l’inverter. Lo svantaggio che ne deriva è una riduzi one del rendi ment o dovuta al funzionamento in cascata dei due convertit ori.
1.6.9 Cont roll o del flusso di pot enza
A caus a dell e vari azioni dell e confi gurazioni dei veicoli i bridi, sono necess ari e differenti strategi e di cont rollo per regol are i l flus so di pot enza per o da i di versi componenti. Quest e st rat egie di cont roll o hanno lo scopo di s oddi sfare un certo num ero di obiett ivi per i vei coli ibridi. Ci sono quatt ro obi etti vi chiave:
1) Minimizzare i consumi di carburant e. 2) Minimizzare l e emis sioni .
3) Minimizzare i costi del sist e m a.
4) Assi curare una buona perform ance di gui da.
La progett azione del le strat egie di cont rollo per l a pot enz a per i vei col i ibri di coi nv ol ge di fferenti considerazioni . Eccone el encate alcune.
1) Ottimizzare il punto di funzionamento del motore a combust ione interna: il punt o di funzionamento ott i mal e sul piano coppia -vel ocit à del mot ore termi co può essere basato sull a minimizzazione del consumo del carburante, s ulla minimizzazione dell e emis sioni , o su un com promesso tra i due. 2) Ottimizzare l a linea di funzi oname nto del motor e a combus t ione
interna: nel caso in cui il mot ore t erm ico debba rispondere a differenti domande di potenz a, i corrispondenti punti di funzionamento costi t uiscono una linea di funzionamento ot tim al e. La Fi gura 1.12 m ost ra una tipi ca linea di f unzionamento ot ti mal e di un motore a combustione interna nel quale l’ottimizzazione è bas at a s ull a mi nimiz zazione del cons umo di carburante.
3) Ottimizzazione dell a regione di utili zzo del motor e a combusti one interna: il m otore termi co possi ede una regi one d i funzionam ent o preferenzial e sul piano coppia -velocit à dove l ’efficienza del carburante ri mane ot timal e.
4) Mini mizz ar e la di namica del motor e a combustione i nterna : la vel ocit à operat iva del m otore t ermi co deve essere regol at a in mani era t al e da evit are ogn i rapida fl uttuazione, quindi
minimizzare l a s ua dinami ca.
5) Fissare un limit e inf eriore al la velocit à del motor e a combus tione interna: quando il motore termi co opera a basse vel ocit à, l’efficienza del combustibile è molto bassa. Il motore a com busti one int erna dovrebbe ess ere spent o quando l a sua vel ocit à è sott o ad un certo valore di soglia.
6) Def inizi one di un intervallo di f unzi onament o del mot or e a combustione interna mini mo: il motore term ico non dovrebbe ess ere acces o e spento frequent em ent e al trim enti ris ult erebbe un aum ent o del le emiss ioni e dei consumi. Defini re un int ervall o di funzionamento mini mo aiut a a li mit are t ali i nconvenie nti.
7) Appr opri ata cari ca dell e bat terie : l a carica dell e batteri e deve ess ere mantenut a ad un livell o che permett e di forni re pot enz a suffi ci ent e per l a accel erazi one e di poter accettare l’energi a dall a frenat a ri generativa o i n una dis cesa. Quando l a cari ca è troppo alta, il mot ore termi co dovrebbe ess ere spent o oppure operare a bas so regi me. Quando la cari ca è t roppo bas s a, il motore a combus tione int erna deve increm ent are l a sua vel ocit à in us cit a in modo da cari care l e bat terie nel modo più rapido possi bil e.
8) Tensi one dell a batt eria : l a t ensione dell a batt eri a può es sere si gni fi cat ivam ent e alt erat a durant e la scari ca, la cari ca da generatore o l a cari ca da una frenat a ri generativa. La t ens i one dell a bat teri a non deve m ai es sere t roppo alt a o troppo bas sa , in caso contrario l a batt eri a può essere permanent em ent e danneggi at a. Qui ndi , la gesti one dell a batt eria è un probl em a cri tico.
9) Distri buzi one r elativa : la dist ri buzione dell a potenza ri chi est a t ra il motore termi co e la batteri a può ess ere ottimizzat a durant e il ci clo di guida.
ess ere utilizzat o in modalit à puro el ett ri co. Il cambi am ent o può ess ere cont roll at o m anualm ente o aut om aticam ent e .
F i g . 1 . 1 2 : L i n e a d i f u n z i o n a m e n t o o t t i m a l e d i u n a m a p p a d i c o n s u m o d i c a r b u r a n t e d i u n m o t o r e a c o m b u s t i o n e i n t e r n a [ 1 ] .
1.6.10 Si stem a avanzato per il cont r ollo dell a per form ance di un veicolo ibri do
La Fi gura 1.13 m os tra un nuovo sist ema di vei col o ibrido parall elo. Quest a ti pologia di vei col o ibrido non solo poss iede le caratt eri sti che dell’ibrido parallelo, ma possiede anche un uni co vantaggio dell’ibrido serie, cioè che il motore t ermi co può operare i ndi pendentem ent e al minimo consumo di carburant e. La chiave è utilizzare un rot ismo epi ci cloi dal e che offre due gradi di libert à per la t rasmissi one meccani ca.
F i g . 1 . 1 3 : N u o v o s i s t e m a d i v e i c o l o i b r i d o c o n r o t i s m o e p i c i c l o i d a l e [ 1 ] .
Nel la guida in citt à, il sist ema del veicolo ibrido è caratt erizzato dall e caratt eristi che del veicol o ibrido parall el o e dal vant aggi o del vei col o in serie. Quando il veicol o è all a m assim a accel erazione, l a pot enza è fornit a s imult aneam ent e dal mot ore t ermi co e d al mot ore el ettrico. Quando il veicolo è condott o norm al ment e l a pot enz a è fornit a in coll aborazione sia dal mot ore t ermi co che dal motore el ett rico att raverso il rotism o epi ci cloi dal e con due gradi di li bert à i n m odo tal e che il consumo di carburante del motore a combustione int erna si a m inimo. Ciò si gni fi ca che il motore termi co opera all a minim a coppi a e potenz a, e l a
maggioranza della potenza è forni ta dal motore el ett ri co.
Durante la frenat a ri generativa, il rotismo epicicl oidal e opera in condizione di un solo grado di libert à disconnett endo l a frizione. P er questo, l’energia cinetica è convertita in energia elettrica e, quindi, ricari ca l a batt eria m ent re il motore el ett rico opera com e un generatore. Nel la guida ext raurbana, il vei col o i brido opera com e un veicolo tradizional e. In ques to caso il m otore el ettri co vi ene s pento e il rotis mo epi ci cloi dal e lavora a s ua volta con un solo grado di l ibert à.
La capacit à di un rotismo epi cicloidal e di gesti re in modo fl ess ibil e i flus si di pot enza consente di uti lizzare il motore a com bust ione int erna in mani era ottim ale, ott enendo qui ndi una maggiore efficienza dell’intero sistema del veicolo ibrido . La Figura 1.14 mostra le perform ance s imul at e di quest o si st ema di vei colo ibrido e forni sce un risul tat o com parativo tra i ci cli di guida FUD 48 ( m ass ima velocit à di 48 km/h) e FUD 72 (m assim a velocit à di 72 km/h).
