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Modellazione e simulazione di veicolo a propulsione elettrica e ibrida per trasporto merci

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Academic year: 2021

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Università di Pisa

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale Corso di Laurea Magistrale in

INGEGNERIA DEI VEICOLI

“Modellazione e simulazione di un veicolo a

propulsione elettrica e ibrida per trasporto merci”

Relatori

Candidato

Prof. Ing. Massimo Ceraolo

Nicola Boscolo Zemelo

Dott. Ing. Giovanni Lutzemberger

Dott. Alessandro Pretto

(2)

i

INDICE

INTRODUZIONE ... 1

CAPITOLO I ... 3

ARCHITETTURE DEI VEICOLI ELETTRICI E IBRIDI ... 3

1.1 Veicoli elettrici (EVs) ... 3

1.2 Veicoli elettrici ibridi (HEVs) ... 4

1.3 Veicoli ibridi serie (S-HEV) ... 5

1.4 Veicoli ibridi parallelo (P-HEV) ... 6

CAPITOLO II ... 8

STATO DELL’ARTE DEI VEICOLI ELETTRICI PIAGGIO ... 8

2.1. PORTER ELECTRIC POWER ... 8

2.1.1 Porter Elettrico Piaggio ... 8

2.1.2 Porter Elettrico Gruppo Pretto ... 11

2.2 MISSIONI VEICOLO ... 14

2.2.1 Ciclo NEDC ... 14

2.2.2 Ciclo Rimini ... 17

CAPITOLO III ... 18

MODELLAZIONE DEL VEICOLO ELETTRICO ATTRAVERSO IL SOFTWARE DYMOLA ... 18

3.1 Modellazione Porter Electric da 132 Ah con batterie LFP ... 18

3.1.1 Modellazione del sistema di accumulo elettrochimico ... 18

3.1.2 Modello Guidatore... 21 3.1.3 Ciclo ... 21 3.1.4 Limitatori di coppia ... 21 3.1.4 Macchina elettrica ... 23 3.1.5 Trasmissione ... 23 3.1.6 Ruota ideale ... 24

(3)

ii

3.1.7 Massa veicolo ... 24

3.1.8 Forza resistente ... 25

3.1.9 Ausiliari ... 27

3.1.10 Dati Porter 132 Ah ... 29

3.2 Modellazione Porter “full hybrid” ... 31

3.2.1 Batteria ... 33

3.2.2 Convertitore primario ... 33

3.2.3 Modulo della gestione della potenza ... 37

3.2.4 Dati modello Porter “full hybrid” ... 40

3.3 Modellazione Porter ibrido “range extended” ... 42

3.3.1 Supervisore ... 42

3.3.2 Generatore ... 43

3.3.3 Consumo di carburante ... 44

CAPITOLO IV ... 47

SIMULAZIONI E DISCUSSIONE DEI RISULTATI ... 47

4.1 Simulazioni ottenute con ciclo di omologazione NEDC ... 47

4.1.1 Porter Li 198 ... 48

4.1.2 Porter Piaggio Electric Power ... 53

4.1.3 Porter Li 132 ... 54

4.1.4 Porter “full hybrid” ... 56

4.1.5 Porter ibrido “range extended” ... 59

4.2 Simulazioni ottenute con ciclo sperimentale Rimini ... 60

CAPITOLO V ... 68

CONCLUSIONI ... 68

(4)

1

INTRODUZIONE

La scelta di svolgere un lavoro di tesi focalizzato sull’analisi di un veicolo elettrico e ibrido nasce dal desiderio di mettere a frutto le conoscenze acquisite nei corsi di studio di sistemi

elettrici di bordo e propulsione elettrica e poter così migliorare lo stato dell’arte dei veicoli

elettrici già in commercio (Porter Electric Power) e studiare nuove soluzioni (veicolo ibrido serie, range extender) realizzabili nel caso si rilevassero vantaggiose economicamente.

Da qualche anno molte case automobilistiche investono denaro ed energie nelle divisioni dedicate nella ricerca di veicoli elettrici, i motivi principali risiedono, come è facile intuire, nell’altalenante prezzo del petrolio e di conseguenza dei suoi derivati, proprio per questa ragione molti veicoli di fascia medio bassa in commercio presentano nella propria gamma più tipologie di alimentazione come quella a GPL o metano. Inoltre, nel caso specifico all’interno della Comunità Europea, vengono introdotti standard, ossia limitazioni imposte, sempre più stringenti per quanto concerne l’inquinamento ambientale e l’immissione di anidride carbonica e altri inquinanti in atmosfera da parte dei veicoli e ciò è motore di spinta per la ricerca di nuove tecnologie con l’ottica la riduzione di consumi e tali immissioni.

I vantaggi delle auto elettriche non risiedono solamente nell’abbattimento degli inquinanti nel normale impiego quotidiano, ma sono insiti anche nelle buone prestazioni che il motore elettrico offre come l’elevata efficienza, la silenziosità, la possibilità di raggiungere un regime massimo di copia in pochi istanti e a livello costante

Allo stato attuale i veicoli elettrici, nel senso puro del termine, ossia quei veicoli dotati di un sistema di propulsione elettrico e provvisti a bordo di un sistema di accumulo come ad esempio batterie o celle a combustibile, che utilizzano l’idrogeno come vettore energetico, sono

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2

prodotti da un piccolissimo numero di case automobilistiche; Nissan ad esempio annovera tra i modelli della sua gamma la Nissan Leaf, l’auto elettrica a ora più venduta al mondo.

Impossibile non menzionare in questo scritto l’azienda californiana Tesla, pioniera nell’industrializzazione in grande scala di una gamma di vetture completamente elettriche dall’alto contenuto tecnologico, dalle elevate prestazioni di guida così da concorrere con le auto motorizzate a benzina o diesel di fascia medio alta, oggi inoltre propone un software installato a bordo della vettura che implementa la guida autonoma

Nonostante i vantaggi che portano la loro installazione, rispetto ai combustibili fossili, i sistemi di accumulo elettrochimico presentano una bassa densità energetica e i tempi di ricarica delle batterie estremamente lunghi se paragonati ad un normale rifornimento di carburante; per tali ragioni i veicoli elettrici non sono ancora in grado di competere con i tradizionali veicoli a motore termico. Per sopperire a questi limiti una soluzione è rappresentata dai veicoli ibridi.

I veicoli ibridi sono caratterizzati dall’avere due sistemi di propulsione a bordo: una proveniente da un sistema di accumulo e una dal motore endotermico. La parte elettrica permette di recuperare energia cinetica in frenata e quella termica di garantire comunque una buona autonomia di percorrenza.

In questo lavoro di tesi verrà esposta prima di tutto una panoramica delle architetture dei veicoli elettrici esistenti. Nella seconda parte si affronterà come è stata effettuata la modellazione dei veicoli Porter attraverso il software si simulazione per le diverse tipologie di architetture considerate. Seguirà la discussione e la rappresentazione attraverso grafici dei risultati ottenuti.

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3

CAPITOLO I

ARCHITETTURE DEI VEICOLI ELETTRICI

E IBRIDI

1.1 Veicoli elettrici (EVs)

Normalmente per veicoli elettrici si fa riferimento a quei veicoli in cui sono presenti uno o più motori elettrici che forniscono potenza in modo esclusivo alla propulsione. Per un veicolo a propulsione elettrica a batteria si può fare riferimento alla seguente figura.

Figura 1 - Schema veicolo elettrico

La Figura 1 rappresenta uno schema di segnale in cui sono indicati i flussi di potenza con i loro versi che indicano se esiste bidirezionalità del flusso, ad esempio la batteria può sia erogare potenza o riceverla quando il veicolo frena ed è permesso il recupero di energia in frenata.

(7)

4

Lo schema precedente è composto dai seguenti componenti:

 Battery: è il sistema di accumulo del veicolo, il flusso di potenza è bidirezionale

 Power train=electric driver: composto da

o EPC: electric power converter ovvero il convertitore;

o Motor: motore elettrico di trazione;

o Trasmissione: eventuale cambio di velocità e differenziale del veicolo.

 Auxiliary System: sono i carichi ausiliari del veicolo come la climatizzazione, infotainment, servo guida.

I tipi di azionamenti elettrici più utilizzati possono essere basati su:

1. Macchina in corrente continua, anche se è una soluzione che tende a ad essere abbandonata;

2. Macchina asincrona trifase a controllo vettoriale o scalare; 3. Macchina sincrona a magneti permanenti: brushless.

1.2 Veicoli elettrici ibridi (HEVs)

Per veicoli ibridi si intendono quei veicoli per cui la potenza di propulsione proviene da più fonti indipendenti, di cui almeno una reversibile

Esistono due differenti architetture di veicoli ibridi:  Veicoli ibridi serie (S-HEV)

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5

1.3 Veicoli ibridi serie (S-HEV)

Si tratta di quei veicoli ibridi in cui la somma delle potenze provenienti dalle fonti di propulsione avviene attraverso grandezze elettriche.

Figura 2 - Schema veicolo ibrido serie

Nell’ibrido serie l’energia prodotta dal convertitore primario, come ad esempio un motore a combustione interna, viene trasformata in energia elettrica da un generatore di corrente necessaria alla propulsione.

Attraverso specifiche logiche di controllo il convertitore può essere utilizzato per ricaricare il sistema di accumulo ausiliario solitamente composto da batterie. L’energia stoccata nelle batterie viene poi utilizzata per alimentare il motore elettrico di trazione come si può vedere nell’esempio in Figura 3.

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6

La presenza degli azionamenti elettrici è necessaria per interfacciare il generatore elettrico con il sistema di accumulo e con il motore elettrico di trazione.

Il disaccoppiamento tra convertitore primario e le ruote rende possibile l’eliminazione della frizione e il cambio di velocità e consente di ottimizzare la gestione del motore termico in ottica di riduzione dei consumi facendo lavorare quest’ultimo ad un punto fisso di velocità angolare in cui è massima l’efficienza. Tale architettura implementa anche l’opzione plug-in ovvero come i normali veicoli elettrici il sistema di accumulo può essere ricaricato da una fonte elettrica esterna come le colonnine presenti nelle città o dalla rete di casa.

1.4 Veicoli ibridi parallelo (P-HEV)

Per questi veicoli ibridi la somma delle potenze provenienti dalle varie fonti avviene attraverso grandezze meccaniche

Figura 4 - Schema veicolo elettrico parallelo

Con questa architettura sono possibili tutte le configurazioni: il veicolo può marciare in puro elettrico mosso dal motore elettrico, può essere spinto convenzionalmente dal solo motore endotermico oppure entrambi i motori possono fornire potenza meccaniche alle ruote. Dovrà perciò essere presente necessariamente la trasmissione tale da fornire coppia e potenza adeguate in funzione della velocità del motore, questo fa sì che tale architettura richieda numerosi componenti che portano necessariamente a un aumento dei costi e a perdite energetiche.

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7

Figura 5 - Esempio architettura ibrido parallelo

Tale configurazione può essere immaginata come ad un comune veicolo meccanica in cui sia stata aggiunta potenza proveniente ad una fonte elettrica.

Come visto per i veicoli ibridi serie anche in questo caso può essere predisposta l’opzione plug-in per la ricarica della batteria direttamente dalla rete.

Nel confronto tra le due architetture si può dire che per il veicolo ibrido serie, dato il minor numero di componenti, presenta una configurazione più flessibile e meno ingombrante non essendoci ulteriori organi di trasmissione; il veicolo ibrido parallelo tuttavia necessita di una macchina rotante in meno e il motore elettrico non è dimensionato per offrire la massima potenza.

In questa tesi verrà trattato lo studio di un veicolo elettrico e la sua modellizzazione attraverso il software Dymola e una sua evoluzione in veicolo ibrido per aumentare la sua autonomia e le sue prestazioni.

(11)

8

CAPITOLO II

STATO

DELL’ARTE

DEI

VEICOLI

ELETTRICI PIAGGIO

2.1. PORTER ELECTRIC POWER

In questo capitolo verrà presentato il modello Piaggio Porter comunemente commercializzato dai concessionari dell’azienda toscana e la sua nuova architettura allestita dal Gruppo Pretto.

2.1.1 Porter Elettrico Piaggio

L’azienda Piaggio di Pontedera, da anni, ha dotato la gamma dei modelli Porter di una tipologia di motorizzazioni rivolta verso l’abbattimento dell’impatto ambientale: il Porter Electric Power.

Il Porter elettrico, data la sua compattezza, capacità di carico e versatilità risulta ideale per ogni tipo di trasporto, servizio e consegna in special modo nel traffico cittadino e nelle zone urbane a traffico limitato.

Il Gruppo Pretto srl di Ponsacco, presso cui è stato svolto il lavoro di tesi, offre noleggio e assistenza di veicoli Piaggio Porter ad aziende ed enti pubblici e non che, ad esempio, richiedono l’utilizzo per la raccolta differenziata, decoro e igiene urbano o altre mansioni simili.

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9

La gamma Piaggio Porter è composta da un solo veicolo elettrico con motore elettrico, prodotto dall’azienda Brusa di Ravenna, ad eccitazione serie con le seguenti specifiche tecniche

TENSIONE [V] 96 POTENZA NOMINALE Potenza [kW] Corrente [A] Regime [rpm] Coppia[Nm] 10.5 124 1800 55 POTENZA MAX (3 min) Potenza [kW] Regime [rpm] 18 1150 COPPIA MAX (allo spunto) Coppia [Nm] Corrente [A] 215 330

REGIME MAX Regime [rpm] 2550

CLASSE DI ISOLAMENTO F

PROTEZIONE IP22

Tabella 1 - Specifiche motore elettrico Brusa

Il sistema di accumulo dell’energia che provvede all’alimentazione del motore è costituito da accumulatori di tipologia Piombo-gel che si differenziano dagli accumulatori Piombo-Acido per il tipo di elettrolita utilizzato.

Gli accumulatori Piombo-acido adottano un elettrolita in forma liquida, invece la tipologia Piombo-gel presenta una soluzione elettrolitica che assume un aspetto e una consistenza gelatinoso, ciò minimizza la fuoriuscita di gas tipica dell’elettrolita liquido rendendo tali accumulatori:

 Senza manutenzione;

 Immuni all’accidentale sversamento accidentale di liquido.

Inoltre la conformazione gelatinosa dell’elettrolita offre una maggiore protezione alle piastre durante la fase di scarica rendendo tali batterie particolarmente indicate ad applicazioni che prevedono cicli di scarica profondi come nel caso della trazione elettrica.

(13)

10

La disposizione dei pacchi batterie a bordo veicolo è composta da quattro cestelli per un totale di 16 moduli, con tensione nominale pari a 6 V ciascuno, collegati in serie tra loro così da generare una tensione di 96 V per l’alimentazione del motore elettrico, e una capacità di accumulo nominale pari a 180 Ah.

I cestelli sono così disposti:

 1 cestello anteriore, contenente 6 moduli;

 2 cestelli laterali, collocati uno a destra e un a sinistra, contenenti 4 moduli;  1 cestello posteriore, contenente 2 moduli.

Lo scopo dell’accumulo è di fornire la potenza ed energia per la trazione e l’alimentazione dei servizi a bordo.

La ricarica avviene attraverso il collegamento a una presa della rete elettrica tipo "CEE 230V-16A 2PT" (spina tripolare industriale).

Accumulatore Piombo Gel Porter

Tensione totale [V] 96

Numero di batterie 16

Capacità nominale [Ah] 180

Tabella 2 - Dati batteria piombo gel Porter

(14)

11

Figura 7 - Disposizione dei moduli batterie al Piombo-gel

Altri dati tecnici relativi al Porter Electric Power sono riportati in Tabella 3.

PORTER PIOMBO GEL

Capacità totale [Ah] 180 Numero moduli serie 16

Tensione cella [V] 2

Numero celle serie 48

Tensione modulo [V] 6 Massa totale moduli [kg] 496 Energia Porter Pb [kWh] 17.28

Massa [kg] 1200

Portata utile [kg] 240

Tabella 3 - Dati Porter 180 Ah piombo-gel

2.1.2 Porter Elettrico Gruppo Pretto

Il Gruppo Pretto, in collaborazione con l’azienda IET, partendo dal veicolo Piaggio con batterie Pb-gel, ha evoluto il sistema di accumulo installando nuovi accumulatori LFP, litio-ferro-fosforo con elettrolita polimerico: accumulatori agli ioni di litio nei quali l’elettrolita, invece che essere un solvente organico è composto da un polimero allo stato solido così da fornire una maggior sicurezza in caso di danneggiamento non essendo infiammabile.

(15)

12

Le batterie al litio sono una tipologia molto utilizzata nel campo delle auto elettriche grazie al vantaggioso rapporto peso potenza, alla loro bassa autoscarica e una più duratura vita di cicli di scarica all’80% di scarica. Anche quest’ultime, come quelle al piombo, presentano una capacità che si riduce al crescere della corrente di scarica e al ridursi della temperatura.

Figura 8 - Andamento della tensione in funzione della temperatura a cui avviene la scarica, con corrente pari a quella nominale.

Senza dubbio il grande beneficio che si ottiene con accumulatori al litio è la possibilità di estendere l’autonomia del veicolo a parità di capacità installata data la loro estrema leggerezza (massa atomica pari a 6,94) rispetto a tutte le altre tipologie di batteria. Caratteristica senza dubbio di grande importanza è l’alta efficienza di scarica che risulta superiore al 90%. Come è facile aspettarsi, date le ottime prestazioni che le batterie LFP possono fornire fa sì che il costo di questa tipologia sia superiore.

I veicoli Porter allestiti dal Gruppo Pretto sono di due tipi e si differenziano per l’energia installata a bordo e quindi per l’autonomia in termini di chilometri che possono percorrere.

PORTER Li 132 PORTER Li 198

Capacità totale [Ah] 132 Capacità totale [Ah] 198

Numero moduli serie 30 Numero moduli serie 30

Tensione cella [V] 3.2 Tensione cella [V] 3.2

Numero celle parallelo 2 Numero celle parallelo 3

Tensione modulo [V] 3.2 Tensione modulo [V] 3.2

Massa totale moduli [kg] 126 Massa totale moduli [kg] 189

Energia Porter Li132 [kWh] 12.672 Energia Porter Li198 [kWh] 19.008

energia rispetto al Pb -27% energia rispetto al Pb +10%

Massa [kg] 830 Massa [kg] 893

(16)

13

Il modello, preso in considerazione per il lavoro di tesi è un veicolo Porter Electric con capacità di accumulo di 132 Ah costituito da 30 moduli di batterie LFP in serie composti ciascuno da due celle da 66 Ah in parallelo da 3,2 volt di tensione per alimentare lo stesso azionamento da 96 Volt utilizzato per il Porter elettrico a batterie al Piombo-gel, per le specifiche del motore si fa riferimento ai dati alla Tabella 1.

Gli accumulatori sono prodotti dall’azienda cinese Sinopoly e presentano le seguenti caratteristiche generali:

Figura 9 - Dati batterie Sinopoly [1]

]

(17)

14

2.2 MISSIONI VEICOLO

2.2.1 Ciclo NEDC

Il veicolo Porter elettrico con il nuovo allestimento effettuato dal Gruppo Pretto è stato collaudato presso il “Dipartimento dei trasporti terrestri e per i sistemi informativi e statistici” nel Centro prova autoveicoli di Brescia.

La prova è stata effettuata sul banco a rulli, guidando il veicolo e inseguendo il ciclo di prova come previsto dal Regolamento UNECE N° 101 Allegato 7, dato ciclo prende il nome di

Nuovo ciclo di guida europeo, in inglese NEDC (New European Driving Cycle). Il ciclo si propone di

rappresentare l’uso tipico di una vettura in Europa ed è utilizzato, tra l’altro, per valutare i livelli di emissioni inquinanti dei veicoli e per il consumo di carburante.

2.2.1.1 Struttura della sequenza

La sequenza della prova si compone di due parti (Figura 11)  Ciclo urbano composto da quattro cicli urbani elementari;  Ciclo extraurbano.

Se il veicolo è dotato di cambio manuale con diverse marce, l’operatore cambia marcia conformemente alle specifiche del costruttore.

Nel caso il veicolo avesse diverse modalità di guida selezionabili dal conducente, l’operatore sceglie quella che meglio si adatta alla curva obiettivo.

(18)

15

Figura 11 – Ciclo NEDC Ciclo Urbano

Il ciclo urbano si compone di quattro cicli elementari che simulano un profilo di velocità composto da brevi accelerazioni e stop come ci si aspetterebbe da un veicolo guidato in città. Ha una durata di 195 secondi ciascuno e ha una durata totale di 780 secondi. Il ciclo urbano elementare è illustrato nella Figura 12.

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Ciclo extraurbano

Il ciclo extraurbano ha una durata di 380 secondi e risulta più impegnativo di quello urbano richiedendo al veicolo di raggiugere una velocità di 120 km/h. il profilo è rappresentato

Figura 13.

Figura 13 - Ciclo extraurbano

2.2.1.2 Simulazione ciclo NEDC attraverso Dymola

Per una prima modellizzazione con linguaggio Modelica si è provveduti a costruire un modello di veicolo elettrico a cui è stato imposto di eseguire il ciclo NEDC e implementando i dati forniti all’interno del software.

I dati inseriti nel programma di simulazione sono i seguenti:

SEZIONE FRONTALE [m2] 2.09

CX 0.42

MASSA [kg] 1440

CARICA BATTERIA INIZIO PROVA 100%

CARICA BATTERIA FINE PROVA 8%

NUMERO SOSTE 1

DISTANZA PERCORSA [km] 112,4

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17

Il Porter Electric Power può raggiungere una velocità massima di circa 55 km/h, meno della metà della velocità richiesta per l’esecuzione del ciclo; ciononostante il Centro di Collaudo, interrogato riguardo questo aspetto, ha dichiarato valida la prova imponendo come velocità massima raggiungibile dal ciclo i 55 km/h dato che per la sua missione nei centri urbani il Porter Electric lavorerà sicuramente ad una velocità inferiore ai 120 km/h.

2.2.2 Ciclo Rimini

Il seguente ciclo rappresenta un ciclo prevalentemente urbano percorso dal veicolo preso di riferimento e allestito dal Gruppo Pretto operante nel centro storico della città di Rimini.

Il veicolo è utilizzato da un ente municipale per la raccolta rifiuti, con sede distante qualche chilometro dal centro, che provvede per tutti e sette i giorni della settimana alla raccolta dei rifiuti presso le piazze e vie del centro città.

Il profilo di velocità del ciclo è stato misurato sperimentalmente dato che in ogni veicolo fornito dal Gruppo Pretto è installato un Data Logger che permette di ottenere importanti informazioni del mezzo come la corrente istantanea assorbita dalle batterie, la tensione media del pacco batterie, la velocità istantanea e le coordinate GPS, con campionamento di tempo effettuato ogni sue secondi.

Si riporta in figura un ciclo effettuato nel giorno di sabato.

Figura 14 - Profilo di velocità del ciclo Rimini

0.0E0 5.0E3 1.0E4 1.5E4

-10 0 10 20 30 40 50 60

Dymola student version, see w w w .Dymola.com

[s] speedSensor.v

(21)

18

CAPITOLO III

MODELLAZIONE

DEL

VEICOLO

ELETTRICO ATTRAVERSO IL SOFTWARE

DYMOLA

In questo capitolo verrà spiegato come sono stati scelti e caratterizzati i componenti del modello attraverso il software per meglio simulare le misure raccolte sperimentalmente dal Data Logger installato sul Porter Electric con capacità di 132 Ah.

3.1 Modellazione Porter Electric da 132 Ah con batterie LFP

I seguenti elementi del modello sono stati modellati partendo da semplici modelli sviluppati nei corsi di Propulsione elettrica e Sistemi elettrici di bordo, apportando eventuali modifiche necessarie per validare il modello del veicolo preso in esame.

3.1.1 Modellazione del sistema di accumulo elettrochimico

Un accumulatore elettrochimico, visto dai morsetti, è rappresentabile come un bipolo che scambia energia elettrica con l’esterno operante in corrente continua (Figura 15). La corrente può entrare o uscire dal morsetto positivo, nel primo caso si avrà un aumento dell’energia contenuta nell’accumulo, nel secondo caso invece verrà prelevata una frazione di energia precedentemente accumulata.

(22)

19

Un accumulatore elettrochimico è costituito da dispositivi elementari chiamate celle

elettrochimiche, aventi una bassa tensione e che perciò vengono collegate in serie per poter

alzare la tensione e alimentare opportuni sistemi.

Figura 15 - Blocco batteria

Un parametro fondamentale per lo studio degli accumulatori e veicoli elettrici è il SOC

(State Of Charge) che rappresenta il livello di carica della batteria e può assumere tutti i valori

compresi tra 0 (batteria completamente scarica) e 1 (batteria completamente carica).

Se prendiamo come positiva la corrente uscente dai morsetti, la carica 𝑄𝑒 estratta dalla

batteria in un certo intervallo di tempo T vale:

𝑄𝑒 = ∫ 𝑖(𝑡) 𝑑𝑡

𝑇 (1)

Il SOC può essere espresso in funzione della capacità della batteria 𝑄𝑛e della carica

estratta secondo la relazione (2)

𝑆𝑂𝐶 = 𝑆𝑂𝐶𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒− 𝑄𝑒 𝑄𝑛

(2)

Nei modelli matematici la stima del SOC viene effettuata assumendo in prima approssimazione l’ipotesi che ci sia una relazione lineare tra la tensione in batteria e il SOC; questa relazione può essere immaginata come un condensatore equivalente alla batteria (con capacità molto elevata), infatti i condensatori presentano una relazione lineare tra carica accumulata e tensione essendo 𝑄 = 𝐶𝑈. Si può immaginare che il condensatore non eroghi tutta la carica in esso accumulata, perciò alla condizione di 𝑆𝑂𝐶 = 0 corrisponde la condizione di carica minima del condensatore 𝑄𝑚𝑖𝑛.

(23)

20

La capacità del condensatore simulante la tensione 𝑈 è dunque

𝐶 =

𝑄𝑚𝑎𝑥− 𝑄𝑚𝑖𝑛

𝑈𝑚𝑎𝑥− 𝑈𝑚𝑖𝑛

=

𝑄𝑛 𝑈𝑚𝑎𝑥− 𝑈𝑚𝑖𝑛

(3)

Con 𝑄𝑛 capacità della batteria

𝑆𝑂𝐶 =

𝑄− 𝑄𝑚𝑖𝑛 𝑄𝑚𝑎𝑥− 𝑄𝑚𝑖𝑛

=

𝑈− 𝑈𝑚𝑖𝑛 𝑈𝑚𝑎𝑥− 𝑈𝑚𝑖𝑛

(4)

Sperimentalmente si osserva che la carica che si riesce estrarre dalla batteria durante la scarica è solo una frazione di quella che era stata introdotta nella precedente carica, si introduce il rendimento di carica come il rapporto tra le due quantità di carica, con T1 il tempo di carica e

con T2 il tempo di scarica

𝜂

𝑒

=

|𝑄𝑠𝑐𝑎𝑟| |𝑄𝑐𝑎𝑟|

=

∫ |𝑖(𝑡)|𝑑𝑡𝑇1

∫ |𝑖(𝑡)|𝑑𝑡𝑇2 (5)

All’interno del modello di batteria in ambiente Dymola vengono inseriti gli specifici valori di riferimento del 𝑆𝑂𝐶𝑖𝑛𝑖𝑧𝑖𝑎𝑙𝑒, 𝑆𝑂𝐶𝑚𝑎𝑥 e 𝑆𝑂𝐶𝑚𝑖𝑛, la tensione minima e massima della cella

elettrochimica e la corrente massima assorbita dalla batteria.

Per simulare un comportamento reale della batteria vengono inserite le perdite di tensione e di corrente, le prime attraverso le resistenze in serie, le secondo attraverso un ramo derivato che drena corrente.

(24)

21 3.1.2 Modello Guidatore

Consiste in un modello semplice di pilota che segue il ciclo impostato, richiamato da una tabella contenendo in tre colonne tempo, velocità e marcia, è rappresentato dal blocco in Figura

16.

Attraverso la differenza tra la velocità che il ciclo impone di seguire e la velocità del veicolo misurata costantemente, per mezzo di un blocco proporzionale viene fornito un segnale che andrà a pilotare il motore elettrico perché insegua il ciclo stabilito riducendo il più possibile l’errore.

Figura 16 - Blocco guidatore

3.1.3 Ciclo

I cicli presi come riferimento sono il ciclo di omologazione NEDC, effettuato dal Centro prova autoveicoli di Brescia, con velocità massima limitata a 55 km/h e il ciclo Rimini ottenuto dai dati raccolti dal veicolo impiegato su cui è stato montato il Data Logger.

3.1.4 Limitatori di coppia

In uscita dal blocco guidatore viene generato un segnale con il quale viene azionato il motore elettrico, quest’ultimo presenta una coppia massima fissata dai dati di targa e di conseguenza assorbirà dalla batteria la dovuta corrente per il corretto funzionamento.

Durante le decelerazioni la macchina elettrica funzionerà da generatore ricaricando la batteria. Il modello così costruito rappresenterà un modello di veicolo dotato solamente di frenata rigenerativa.

Essendo il veicolo costituito anche da freni di tipo meccanico, è stato necessario inserire nel modello due limitatori di coppia che si interfacciano con il blocco guidatore da cui esce il segnale che entra sul blocco motore elettrico.

(25)

22

LimitatoreCoppia1: limita sia la coppia in uscita dalla macchina elettrica, data dalla

massima coppia erogabile dal motore durante le accelerazioni, sia la coppia in entrata, durante le decelerazioni; per quest’ultima, per mezzo dei dati sperimentali, è stato possibile scegliere il limite per far sì che la corrente in entrata in batteria non superasse i valori misurati.

Figura 17 - Blocco LimitatoreCoppia1

LimitatoreCoppia2: è necessario per garantire le corrette decelerazioni del veicolo, in un

certo modo simula l’azione del pilota sui freni meccanici, infatti il limitatore preleva dal guidatore solamente il segnale che riguarda le decelerazioni e attraverso un componente, generante una coppia meccanica, trasmetterà la dovuta coppia a valle della macchina elettrica.

(26)

23 3.1.4 Macchina elettrica

Il modello è rappresentato da un blocco che in entrata riceve il segnale della coppia che il motore deve erogare per inseguire il ciclo richiesto e viene applicata a un componente che rappresenta un’inerzia meccanica connessa all’albero di trasmissione e da un componente che ne misura la velocità di rotazione. Il modello è collegato alla batteria da cui verrà assorbita la potenza elettrica necessaria per garantire la coppia richiesta in uscita.

Figura 19 - Blocco motore elettrico

I valori di coppia e velocità angolare vengono normalizzati rispetto ai valori massimi ammissibili dalla macchina elettrica e inseriti come input in una tabella che rappresenta la Mappa

di Efficienza che restituisce come uscita un valore di rendimento del motore elettrico, tale da

determinare quale potenza elettrica è richiesta in quel momento dalla batteria 𝑃𝑒 =𝑇Ω

𝜂 = 𝑣𝑖

(6)

3.1.5 Trasmissione

Questo componente rappresenta la riduzione al differenziale di tipo aperto montato sul veicolo. Essendo presenti attriti tra le parti meccaniche, si pensi ai contatti tra i satelliti, planetari e porta satelliti, il componente presenta una efficienza tale da simulare le perdite reali del veicolo. Il rapporto di trasmissione è 4.8.

Figura 20 - Elemento trasmissione

name

(27)

24 3.1.6 Ruota ideale

Rappresenta una ruota ideale senza inerzia e senza massa che trasforma il moto da rotazionale a traslante. Nel modello viene inserito il raggio di rotolamento del pneumatico ricavato dagli pneumatici montati sul veicolo: 155/80 R13, 155 rappresenta in mm la larghezza del pneumatico, 80 è il grado di ribassamento della gomma, indica la distanza dalla base del cerchio a terra espressa in percentuale rispetto alla larghezza.

Figura 21 - Blocco ruota

L’altezza della spalla vale 155 ∙ 80

100 = 124 𝑚𝑚

(7) Il diametro di calettamento convertito da pollici in mm vale

13 ∙ 25.4 = 330.2 (8)

Il raggio di rotolamento si trova facilmente 330.2

2 + 124 = 289 𝑚𝑚 = 0.289 𝑚

(9)

3.1.7 Massa veicolo

Questo componente simula la massa traslante, espressa in kg, del veicolo.

La missione del veicolo è quello di operare in centro urbano per la raccolta di rifiuti che ad ogni stop l’operatore ecologico caricherà nella vasca presente nella parte posteriore del mezzo. Questo comporta un andamento non costante della massa del veicolo durante la simulazione del ciclo attraverso il software Dymola, è stato dunque implementato il modello di massa presente nella libreria di Dymola facendola variare ad ogni stop del mezzo e prendendo

(28)

25

come raffronto il percorso effettuato dall’operatore attraverso le coordinate GPS e tracciate sulla mappa. Dallo studio di quest’ultime si è visto come il Porter Electric guidato dall’operatore, partendo dal deposito situato fuori città, giunga nel centro urbano in poco più di 10 minuti e da lì inizia la raccolta e a variare la propria massa.

Figura 22 - Blocco massa variabile

Sempre attraverso la mappatura delle coordinate GPS è stato possibile stabilire con chiarezza che il veicolo si reca alla discarica due volte per lo svuotamento completo della vasca, a metà e a termine del turno di lavoro prima di ritornare al deposito.

Dall’analisi dei dati raccolti sperimentalmente e dopo vari studi e tentativi si è potuto scrivere una tabella tempo-massa che determinasse, quando il veicolo restava fermo per più di 20 secondi, l’aumento di massa che il veicolo doveva subire, l’andamento è giustamente a scalini e il segnale è un input che entra nel blocco MassVar. Per il ciclo considerato in questo scritto (CicloSabato) viene raggiunta nella prima metà la massima portata ammissibile dal mezzo, dato ottenuto dal libretto di circolazione del veicolo; mentre nella seconda metà non viene raggiunta.

3.1.8 Forza resistente

Attraverso questo elemento viene simulata la forza resistente che si oppone all’avanzamento del veicolo, la forza (10) presenta due componenti uno costante (11) e uno proporzionale a quadrato della velocità (12).

𝐹𝑟 = 𝐴 + 𝐵 (10)

Il primo termine tiene in considerazione gli attriti dovuto al rotolamento degli pneumatici e della pendenza della strada, essendo sul piano vale la seguente relazione

MassVar

(29)

26

- 𝑓0 = 0.013 : Coefficiente d’attrito all’avanzamento;

- 𝑚 : massa del veicolo;

- 𝑔 = 9.81 𝑠2𝑚 : accelerazione di gravità;

Figura 23 - Blocco forza resistente variabile

Anche in questo caso deve essere considerata la variazione di massa dovuta all’accumulo dei rifiuti, per questa ragione viene applicato lo stesso modus operandi precedentemente esposto per il blocco di massa variabile.

Viene implementato il blocco di forza resistente variabile in cui il primo termine costante, 𝐴, varierà secondo lo stesso profilo di massa a gradini ottenuto attraverso tabella di massa variabile utilizzato per il blocco MassVar.

Il secondo termine tiene in considerazione la resistenza dovuta all’avanzamento 𝐵 =1

2𝜌𝑆𝐶𝑥𝑣2

(12)

- 𝜌 = 1.226 𝑚3𝑘𝑔 : Densità dell’aria; - 𝑆 = 2.09 𝑚2: sezione frontale veicolo;

- 𝐶𝑥= 0.42 : coefficiente di resistenza aerodinamica;

- 𝑣 : velocità di avanzamento del veicolo in 𝑚𝑠.

DragForceVar

(30)

27 3.1.9 Ausiliari

Gli ausiliari sono simulati attraverso a una corrente prelevata direttamente dalla batteria, anche in questo caso il valore scelto dipende dal funzionamento del veicolo dato che, quando si reca alla discarica, viene utilizzata potenza elettrica per alzare la vasca e svuotarla dalla massa caricata durante il turno.

Il veicolo allestito dall’azienda Rossi di Riccione è munito di vasca ribaltabile in acciaio del peso totale di 330 kg e viene alzata, dalla posizione orizzontale a quella verticale, tracciando un angolo di 90° in un tempo di circa 18 secondi a carico nullo.

È stato supposto un tempo di alzata di 20 secondi per il caso con carico, la massa caricata è supposta tutta concentrata in un punto a 1 m dalle cerniere della vasca che ne permettono la rotazione, lo spazio percorso durante la rotazione di 90° è dunque dato da:

2𝜋

4 ∙ 1 𝑚 = 1.57 𝑚

(13)

Per cui la velocità di rotazione, considerando l’accelerazione costante è data da: 𝑣𝑎 = 1.57 20 = 0.0785 𝑚 𝑠 (14)

La potenza meccanica, 𝑊𝑚, richiesta per alzare la vasca e la massa caricata, che dipende

dal turno e quindi dal ciclo, viene calcolata determinando la forza peso prodotta dalla vasca e dal carico, 𝐹𝑝 (15), moltiplicata per la velocità necessaria per compiere l’alzata completa, 𝑣𝑎 (14).

𝐹𝑝 = (𝑚𝑣+ 𝑚𝑐) ∙ 𝑔 (15)

- 𝑚𝑣 = 330 𝑘𝑔: massa vasca;

- 𝑚𝑐: massa caricata;

-

𝑔 = 9.81 𝑚

(31)

28 La potenza risulta

𝑊𝑚 = 𝐹𝑝∙ 𝑣𝑎 (16)

Come scritto precedentemente, la potenza meccanica necessaria per alzare la vasca e la massa in essa caricata è funzione del turno e del ciclo utilizzato in simulazione e quindi sarà calcolata di volta in volta per i vari cicli considerati.

La potenza elettrica richiesta alla batteria (17) deve tener conto delle perdite dovute alla presenza del motore brushless (𝜂𝑚 = 0.9) e dell’azionamento elettrico (𝜂𝑎 = 0.95) che muove

la pompa idraulica (𝜂𝑝 = 0.8) tale da far circolare nel circuito idraulico l’olio per l’azionamento

dell’attuatore idraulico di spinta per far muovere la vasca. 𝑊𝑒 = 𝑊𝑚

𝜂𝑚𝜂𝑎𝜂𝑝

(17)

La potenza elettrica, divisa per la tensione in batteria misurata nel dato istante, permette di calcolare la corrente che deve essere prelevata dalla batteria. Il modello è stato implementato inserendo dalla libreria del software il blocco Signal Current e pilotato attraverso una Time Table che definisce in quali istati del ciclo il veicolo svuota la vasca in discarica e per i quali è richiesto un assorbimento maggiore di corrente; per il restante tempo del ciclo è stato stabilito un consumo di potenza medio dovuto ai carichi presenti nel veicolo come ad esempio l’elettroguida e l’illuminazione.

(32)

29 3.1.10 Dati Porter 132 Ah

PORTER Li 132

Capacità totale [Ah] 132

Numero moduli serie 30

Tensione cella [V] 3.2

Numero celle parallelo 2

Tensione modulo [V] 3.2

Massa totale moduli [kg] 126 Energia Porter Li132 [kWh] 12.672 Energia rispetto al Pb -27%

Massa [kg] 830

Tabella 6 - Dati Porter Li 132

Pe le prove che verranno effettuate e analizzate nel capitolo seguente, saranno considerati i veicoli allestiti con la vasca posteriore del peso complessivo di 330 kg e testati a parità di carico. Essendo noto solamente il collaudo del Porter Li 198, il valore della massa del carico è stata ricavata sottraendo ai valori noti di massa del veicolo di prova la massa del pacco batterie installato a bordo, la massa del motore elettrico, la massa dell’autotelaio.

Massa Porter a vuoto [kg] 650

Masa motore [kg] 54

Massa totale [kg] 704

Tabella 7 - Dati autotelaio Porter

Dal verbale di collaudo effettuato presso il centro a Brescia risulta che il Porter è stato collaudato con una massa pari a 1440 kg. Pertanto per mezzo dei valori riportati nella precedente tabella e conoscendo la massa di batterie installate nel Porter, i dati che verranno inseriti nei modelli che verranno analizzati con il software di simulazione sono i seguenti:

Porter Piombo Gel Porter Li 132 Porter Li 198

Massa [kg] 1200 830 893

Portata utile [kg] 240 640 400

Carico di prova [kg] 547 547 547

Massa totale [kg] 1747 1377 1440

(33)

30

Figura 24 - Schema Porter Electric

p ro p D ri ve r id e a lR o ll in g W h e e l L im C o p p ia 1 u M a x= 2 1 5 L im C o p p ia 1 L im C o p p ia 2 u M a x= 0 L im C o p p ia 2 to rq u e ta u M a ssV a r m = m lo ss yG e a r ra ti o = 4 .8 M a ss V a rS a b o ff se t= 1 3 7 7 A u si li a ri o ff se t= 2 si g n a lC u rr e n t g ro u n d

(34)

31

3.2 Modellazione Porter “full hybrid”

Nei paragrafi seguenti verrà analizzata la simulazione attraverso Dymola di un veicolo, come nel precedente caso, Porter Electric per il quale i componenti presenti nel modello sono gli stessi della modellazione precedente e nel quale vengono installati altri due componenti fondamentali detti: Convertitore Primario (Primary converter)

Figura 25 - Schema veicolo ibrido

e il Modulo di gestione della potenza (PMM). La disposizione di alcuni elementi è stata modificata necessariamente per una migliore chiarezza e sono stati aggiunti come si può vedere dalla Figura 27 un blocco per il riferimento del SOC, il blocco Carichi Ausiliari.

(35)

32

Figura 27 - Schema Porter ibrido

id e a lR o ll in g W h e e l g ro u n d P w p o w e r P u P P p P P g P g e a r ra ti o = 4 .8 P m p o w e r B ra ke T o rq u e ta u P ri m a ry C o n ve rt e r A u xi li a ry L o a d s p ro p D ri ve r P o w e r M a n a g e m e n t M o d u le P g * S O C P u S O C * T p * T f* J= 0 .2 5 m B O n e F la n g e m a ss V a r m = m M a ss V a rS a b 2 o ff se t= 1 3 0 0 A u s o ff se t= 0 co n st k= 0 .6

(36)

33 3.2.1 Batteria

Per questo veicolo si è scelto di utilizzare un sistema di accumulo differente rispetto al caso precedente perché nella logica del veicolo ibrido la batteria non deve erogare tutta la potenza necessaria alla propulsione, ma solo una parte, perché coadiuvata dalla presenza del

Convertitore primario.

Il sistema di accumulo scelto ha capacità totale minore, 96 Ah, rispetto agli altri modelli di Porter precedentemente descritti, ciascuna cella pesa meno di 1 kg, 0.6 kg per la precisione, e sono stati cambiati nel modello all’interno del software di simulazione i valori di riferimento per quanto riguarda le tensioni di esercizio, la tensione nominale ciascuna cella è di 2.52 V.

3.2.2 Convertitore primario

Per Convertitore primario si intende l’insieme del motore termico, della macchina elettrica, funzionante come generatore, e raddrizzatore.

Ha come scopo la generazione di una importante parte della potenza necessaria alla propulsione del veicolo e ai carichi ausiliari.

Figura 28 - Elemento convertitore primario

Al suo interno sono presenti, come detto precedentemente, il motore a combustione interna (ICE), il generatore elettrico e il convertitore; la fonte di energia primaria è appunto il combustibile, contenuto all’interno di un serbatoio apposito, il quale è caratterizzato da una elevata densità energetica e unidirezionalità del flusso di potenza l’energia in esso contenuta viene convertita in energia elettrica dal generatore elettrico.

Il blocco è costituito da due poli, uno positivo e uno negativo attraverso i quali immette la potenza verso la batteria. Sono presenti due input: uno riceve in ingresso la misura della distanza percorsa dal veicolo, utile per calcolare il consumo chilometrico del combustibile; l’altro riceve ingresso, dal PMM, la potenza che il Convertitore primario deve generare.

(37)

34

Il motore a combustione interna presenta una mappa di efficienza collinare, ciò significa che il punto di lavoro di massima efficienza di questo componente dipende maggiormente dal punto di lavoro. È perciò vantaggioso operare una strategia di gestione energetica che privilegi il funzionamento di questo componente in prossimità del punto di massima efficienza.

All’interno del Convertitore primario è presente una Look-up Table (Figura 28)

Figura 29 - Look-up Table

In ingresso alla Look-up Table c’è la potenza richiesta da generare e fornisce in uscita un valore di velocità angolare a cui si deve portare il motore per poter erogare tale potenza, con il minor consumo di combustibile.

Infatti il motore a combustione interna può fornire la potenza richiesta con infinite combinazioni di coppia (T) e velocità angolare (Ω): 𝑃 = 𝑇Ω, per far sì che il motore funzioni alla massima efficienza e quindi con il minimo consumo specifico occorre determinare i valori ottimali di coppia e velocità angolare. Tali valori sono stati ricavati attraverso un precedente lavoro di tesi che aveva estrapolato dalla mappa di efficienza di un motore reale diesel di grossa taglia. Per ogni valore di potenza è stato individuato il valore di minimo consumo specifico e la corrispondente velocità angolare di rotazione del motore.

Nella Look-up Table è stato scelto un valore di giri minimo del motore, 650 giri/min, tra le potenze di 0 e 1000 kW, quando la potenza richiesta al motore è molto bassa. Per il caso analizzato è risultato necessario un motore a combustione interna di potenza pari a 15 kW.

(38)

35 Potenza [kW] Ω ottimale [giri/min] 0 650 1000 650 1875 844 3750 984 5625 1176 7500 1262 9375 1264 11250 1560 13125 1648 15000 2325

Tabella 9 - Look-up table della velocità angolare ottimale

Figura 30 - Andamento della velocità angolare ottimale in funzione della potenza richiesta al convertitore primario

0 500 1000 1500 2000 2500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Om ega o tt im o [g iri/m in ] Potenza [kW]

(39)

36

Un altro elemento all’interno del Convertitore primario è il blocco che simula il funzionamento del motore termico

Figura 31 - Blocco motore termico

È costituito da tre interfacce:

 Una è un ingresso booleana da cui riceve il segnale di flusso di combustibile;  Dall’altro ingresso riceve il segnale del carico;

 In uscita è presente la flangia che permette di collegare l’albero motore all’albero del generatore elettrico;

 L’ultima uscita indica il flusso di combustibile in ingresso motore, utile per calcolare il consumo chilometrico.

Come nel caso precedente, per mezzo di dati provenienti da un lavoro di tesi, è stato possibile costruire per il motore termico da 15 kW considerato, una Look-up Table per la coppia [Nm] in funzione della velocità e del carico, e una Look-up Table per il flusso di carburante [g/s] sempre in funzione del carico e dei giri motore, peggiorando leggermente il consumo data la minor efficienza rispetto a quello di partenza.

Il motore di partenza era un motore diesel da 160 kW, per trovare i valori utili per lo studio di questa tesi, quindi per un motore di 15 kW, è stato necessario dividere per 10.67 i valori ricavati dalle mappe originali.

(40)

37 3.2.3 Modulo della gestione della potenza

Il modulo della gestione della potenza (PMM-Power Management Module) ha il compito di interpretare i comandi del guidatore e, in funzione delle informazioni che dispone, determinare quale parte di potenza utile richiesta debba essere fornita dal sistema di accumulo o dal convertitore primario.

Figura 32 - Flussi di potenza provenienti dal convertitore primario, dal sistema di accumulo e richiesti dai carichi ausiliari

Volendo far erogare al Convertitore primario il valor medio della potenza si può porre

𝑃

𝑔

(𝑡) = 𝑃

𝑢

(𝑡) − 𝑃

𝐸𝑆

(𝑡)

(18)

Con

𝑃

𝑢

(𝑡) = 𝑃

𝑢𝑚

− 𝑟(𝑡)

(19)

dove 𝑟(𝑡) è a valor medio nullo. Quindi

𝑃

𝐸𝑆

(𝑡) = 𝑃

𝐸𝑆𝑚

− 𝑟(𝑡), 𝑃

𝑔

(𝑡) = 𝑃

𝑢𝑚

− 𝑃

𝐸𝑆𝑚 (20)

Con questa logica se 𝑃𝐸𝑆𝑚 =0, l’accumulatore funziona come filtro di potenza e il Convertitore primario eroga il valor medio della potenza che va verso il carico. In realtà bisogna

tener conto che le batterie verranno continuamente caricate e scaricate si avranno perciò delle perdite di energia che dovranno essere bilanciate dal Convertitore primario, perciò quando il SOC della batteria deve rimanere costante esso dovrà assorbire dal sistema una potenza pari alle perdite dovute al ciclaggio energetico al suo interno 𝑃𝐸𝑆𝑚 = −𝑃𝐸𝑆𝑗.

(41)

38

Se 𝑃𝐸𝑆𝑚 ≠ 0 (o meglio 𝑃𝐸𝑆𝑚 ≠ −𝑃𝐸𝑆𝑗) in tal caso il sistema di accumulo è soggetto a una

continua scarica e carica oltre alla potenza di filtraggio, questo può essere utile per far funzionare il Convertitore primario in zone di alta efficienza:

 La batteria può essere scaricata quando sono richiesti bassi carichi tenendo il motore a combustione interna spento; essa verrà ricaricata quando saranno richiesti carichi più alti e il motore termico acceso;

Nei veicoli elettrici plug-in può essere utile ritornare a casa con la batteria completamente scarica.

Per attuare la gestione della potenza occorre che il Modulo della Gestione della Potenza sappia quale sia l’andamento futuro della potenza media utile 𝑃𝑢𝑚, dato che l’impossibilità di

conoscerla, ameno di non compiere lo stesso percorso abitualmente e programmare una logica di controllo ad hoc, si ricorre necessariamente a tecniche di stima.

Quello che generalmente viene fatto, per la stima della potenza media prevista, è il filtraggio dell’andamento precedente della potenza utile, ipotizzando che nell’immediato futuro il veicolo non vari troppo la potenza richiesta per muoversi. Questo può ritenersi una buona approssimazione considerando che il veicolo non varia troppo il profilo della sua missione dato che opera principalmente nel centro urbano e percorre sempre la stessa strada tra il deposito e il centro e tra la discarica e il deposito.

Il Modulo della gestione della potenza è modellato attraverso il seguente blocco

Figura 33 - Blocco PMM

Il blocco riceve in input il segnale da parte del pilota che invierà i segnali di coppia

propulsiva richiesta Tp* e copia frenante Tf* al motore elettrico modellizzato, anche per questo

studio, attraverso un blocco che riceve in ingresso un valore di coppia che deve essere inseguito e in uscita la coppia da trasmettere alle ruote. Per preservare la durata della vita della batteria il

Power Management Module Pg*

(42)

39

PMM lascerà inalterato il segnale di coppia fornito dal conducente fino a che lo stato di carica della batteria rimane al di sotto di una certa soglia ad esempio il 95%. Una volta che la batteria si trova a quel valore di soglia il segnale di coppia verrà suddiviso in due segnali: i valori di coppia positivi verranno sempre inviati al motore elettrico, mentre i valori i valori di coppia negativi verranno inviati al blocco generante una coppia frenante inviata a valle del motore elettrico, non sarà così possibile operare la frenata rigenerativa, ma il veicolo dovrà frenare attraverso freni meccanici.

Come nel caso del veicolo puro elettrico nel blocco motore è presente una tabella che rappresenta la mappa di efficienza del motore elettrico, in cui in ingresso riceve la coppia normalizzata rispetto alla copia massima e la velocità di rotazione angolare, normalizzata rispetto al valore di velocità di angolare massima. La potenza meccanica necessaria alla propulsione del veicolo sarà così divisa per il rendimento ottenuto attraverso la mappa di efficienza per determinare quale potenza elettrica dovrà erogare la batteria.

Il blocco PMM riceve dalle altre interfacce il valore di SOC istantaneo dalla batteria e un valore di rifermento del SOC e ne calcola la differenza. Un regolatore proporzionale ricevendo la differenza appena calcolata fornisce un valore di potenza tale da mantenere il SOC della batteria al valore di riferimento richiesto. Tale potenza viene poi sommata alla potenza media utile prevista 𝑃𝑢𝑚𝑝 ottenuta attraverso il filtraggio dell’andamento della potenza utile

Si ottiene così in output il segnale della potenza 𝑃𝑔* che il Convertitore primario deve

generare lavorando nella condizione di massima efficienza, e quindi consumo del motore a combustione interna.

(43)

40 3.2.4 Dati modello Porter “full hybrid”

I dati inseriti nel software per la simulazione di un veicolo ibrido con Convertitore primario e Modulo della gestione della potenza sono i seguenti

PORTER “FULL HYBRID” Batteria

Capacità totale [Ah] 96

Numero moduli serie 20

Tensione cella [V] 2.52

Numero celle parallelo 4

Tensione modulo [V] 2.52

Massa totale moduli [kg] 48

Energia Porter IBRIDO [kWh] 4.8384

energia rispetto al Pb -72%

Azionamento propulsivo

Motore di trazione brush less [kW] 28.5

Tensione di alimentazione [V] 50.4

Coppia massima [Nm] 138

Velocità di rotazione massima [rad/s] 397.7

Convertitore primario

Motore termico MCI [kW] 15

Generatore elettrico, potenza nominale [kW] 28.5

Carichi ausiliari [kW] 0.2

Tabella 10 - Dati Porter "full hybrid"

il motore elettrico impiegato per la propulsione è un motore a magneti permanenti prodotto sotto brevetto dalla IET di Perugia. I vantaggi di utilizzare questo azionamento rispetto al motore ad eccitazione serie del Porter Electric Power è senza dubbio l’alta efficienza dichiarata dal produttore maggiore del 94%.

(44)

41

Motore elettrico, generatore elettrico e motore a combustione primaria presentano le seguenti masse

Masse

Motore termico MCI [kg] 47

Motore elettrico [kg] 44

Generatore elettrico [kg] 44

Tabella 11 - Dati componenti del modello ibrido

Il pacco batteria installato è composto da venti moduli collegati in serie ciascuno con un parallelo di quattro celle da 24 Ah per una massa totale di 48 kg

Il motore elettrico presenta un’alta efficienza (>94%) e il blocco a mappe utilizzato per la simulazione è lo stesso presentato precedentemente che, normalizzando i valori di coppia, rispetto a quella massima, richiesta dal pilota, e normalizzando la velocità angolare misurata della macchina elettrica. Fornisce così un valore di rendimento per poter calcolare la potenza elettrica richiesta alla batteria.

Il motore termico installato su questo veicolo ibrido ha una massa decisamente minore rispetto a quello montato su un Porter diesel presente nella gamma Piaggio dato che la potenza che deve fornire per la propulsione è solo una, fornirà la potenza utile media, la restante potenza, le fluttuazioni, verranno compensate dalla potenza erogata dalla batteria.

All’uscita dell’albero motore è collegato il generatore elettrico la cui potenza sarà conforme a quella del motore termico. Avendo utilizzato la stessa macchina elettrica del motore elettrico è stato necessario cambiare la mappa di efficienza utilizzata in precedenza, peggiorando di qualche punto percentuale il rendimento.

(45)

42

3.3 Modellazione Porter ibrido “range extended”

L’ultimo modello proposto è un veicolo provvisto di range extender, ovvero un veicolo elettrico che monta a bordo un generatore elettrico che provvederà a mantenere lo stato di carica della batteria ad un certo valore di soglia predisposto.

L’idea è quella di poter svolgere tutte le mansioni previste dal veicolo, ad esempio il percorrere le vie all’interno dei centri città per l’igiene urbano, sempre in modalità elettrica; quando lo stato di carica della batteria, il SOC, raggiungerà il valore di soglia (ad esempio il 30% residuo) il gruppo generatore provvederà a fornire l’energia per mantenerlo a quel livello consumando combustibile.

I vantaggi di un range extender sono quelli di poter produrre direttamente a bordo l’energia necessaria per la ricarica delle batterie così da alimentare il motore elettrico, il motore termico all’interno del generatore di corrente lavorerà così a una velocità stabilita tale da aumentare la sua efficienza e diminuire i consumi di carburante e le emissioni di CO2.

Il modello utilizzato per la simulazione risulta molto simile a quello costruito per il Porter Electric a cui sono stati aggiunti i seguenti blocchi

3.3.1 Supervisore

La logica di controllo del Porter ibrido “range extended” è all’interno di questo blocco

Figura 34 - Blocco supervisore

Tale blocco presenta due ingressi: in uno riceve istantaneamente il valore del SOC della batteria e lo confronta con un valore di SOC predefinito, l’errore generato dalla differenza dei due valori viene inviato a in un elemento Hysteresis stabilisce per quali valori soglia attivare o disattivare il generatore, ovvero cerca di mantenere il SOC a quel valore di riferimento stabilito.

Al suo interno è presente anche un controllo di combustibile consumato nel funzionamento del generatore, infatti il veicolo provvisto di range extender potrà mantenere il

(46)

43

generatore in funzione finché il serbatoio conterrà combustibile, una volta terminato quest’ultimo il Supervisore provvederà a staccare il generatore di corrente lasciando così il veicolo consumare la carica residua all’interno della batteria. La presenza di una carica residua in batteria è essenziale per permettere al veicolo di percorrere ancora chilometri per raggiungere un luogo dove fare rifornimento o rimettere in carica le batterie.

3.3.2 Generatore

Il blocco generatore è rappresentato nella figura seguente e collegato ai rami uscenti dalla batteria

Figura 35 - Blocco generatore

Al suo interno viene inserito il valore di potenza che si desidera venga fornita dal gruppo generatore e inviata alla batteria per mantenere il livello di carica richiesto. Viene misurata istantaneamente la tensione e con essa viene divisa la potenza per operare un controllo in corrente. La seconda interfaccia di ingresso riceve il segnale dal Supervisore inerente al livello di carburante presente nel serbatoio e una volta terminato interrompe il flusso di potenza verso le batterie lasciando così il veicolo, se utilizzato ancora, esaurire la carica residua presente in batteria.

(47)

44 3.3.3 Consumo di carburante

L’ultimo blocco permette di calcolare quanto combustibile viene consumato dal gruppo elettrogeno

Figura 36 - Blocco consumo di carburante

Il blocco riceve in ingresso un valore costante relativo al consumo in L/s del generatore e vengono calcolati i litri consumati nell’esecuzione del ciclo. La seconda interfaccia di input fornisce i chilometri percorsi nella simulazione per poter fornire come output il consumo L/100km del veicolo preso in considerazione. La seconda uscita comunica i litri consumati da inviare al Supervisore che stabilirà se fornire o meno, in quest’ultimo caso se il combustibile è esaurito, potenza da parte del generatore.

I dati inseriti nel software di simulazione per il Porter ibrido “range extended” sono i seguenti

PORTER IBRIDO “RANGE EXTENDED”

Capacità totale [Ah] 50

Numero moduli serie 26

Tensione cella [V] 3.7

Numero celle parallelo 2

Tensione modulo [V] 3.7

Massa totale moduli [kg] 31.2

Energia [kWh] 4.81

energia rispetto al Pb -72%

Massa [kg] 770

Portata utile [kg]

Massa totale con carico di prova [kg] 1317

Tabella 12 - Dati Porter ibrido "range extended"

Per il seguente caso di studio è stato scelto un gruppo elettrogeno che fornisse una potenza tra i 5.5 kW e i 7 kW, così da mantenere il SOC a un livello stabilito.

(48)

45

Il gruppo elettrogeno può essere acquistato sul mercato scegliendo tra catalogo quello che meglio si adatta alle esigenze, oppure costruito ad hoc scegliendo un un motore a combustione interna di dimensioni non eccesive e collegarlo a un generatore di tipo brushless che fornisce ottime prestazioni e rendimenti. Per la simulazione ci si è basati da dati da catalogo per stimare le masse del gruppo elettrogeno indicate in tabella

Massa Motore a combustione interna [kg] 25 Massa generatore brushless [kg] 10 Massa Gruppo elettrogeno totale [kg] 35

Tabella 13 - Dati delle masse del motore termico e delle macchine elttriche

Il veicolo è dotato di batterie “NMC” (Nickel- Manganese-Cobalto). Tali batterie hanno il catodo formato di Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2. Questa composizione consente ottime prestazioni riguardo l’energia che può essere installata a bordo e permettono una vita utile di 1000-3000 cicli scarica all’80%, coerente con l’idea di non scaricare il veicolo al di sotto del 30-20% della sua carica residua.

Dal catalogo Kokam sono state scelte celle da 25 Ah di capacità per costituire 26 moduli collegati in serie ciascuno di formato dal parallelo di due celle con dati indicati nella seguente figura

Figura 37 - Dati kokam celle 25 Ah

Il parallelo di due celle è stato necessario per poter garantire la richiesta di corrente per la propulsione che ha in valore massimo di circa 250 A nell’esecuzione di un ciclo NEDC, perciò in linea con i valori di correnti di scarica delle batterie.

(49)

46

Figura 38 - Porter "range extender"

p ro p D ri ve r id e a lR o ll in g W h e e l F il tr o u M a x= 2 1 5 F il tr o F il tr o 1 u M a x= 0 F il tr o 1 to rq u e ta u m a ss V a r m = m lo ssy G e a r ra ti o = 4 .8 g ro u n d 1 co n st k= 0 .0 0 0 4 2

(50)

47

CAPITOLO IV

SIMULAZIONI

E

DISCUSSIONE

DEI

RISULTATI

Nel seguente capitolo vengono riportati i grafici più significativi per quanto riguarda le simulazioni del ciclo di omologazione NEDC e il ciclo Rimini i cui dati sperimentali di quest’ultimo sono stati raccolti attraverso il Data Logger.

4.1 Simulazioni ottenute con ciclo di omologazione NEDC

Il documento fornito dal “Dipartimento dei trasporti terrestri e per i sistemi informativi e statistici” presso Centro prova autoveicoli di Brescia, prevede l’omologazione di un veicolo

Piaggio Porter ElectricPower appositamente modificato e allestito con batterie di tipologia

litio-polimeri, prodotte dall’azienda Sinopoly.

A differenza del veicolo Porter utilizzato nel centro urbano di Rimini, il pacco batterie del Porter impiegato per la prova di omologazione è formato da 30 moduli in serie costituito ciascuno da un parallelo di 3 celle, un terzo in più. Invece il veicolo prodotto da Piaggio, il Porter Electric Power è costituito da batterie di altra tipologia.

La capacità totale raggiunta dal pacco batterie è di 198 Ah, mentre per il Porter impiegato a Rimini, dato che ciascun modulo è costituito da un parallelo di 2 celle da 66 Ah l’una, possiede una capacità complessiva di 132 Ah.

(51)

48

Si riportano ora i risultati effettuate con il programma di simulazione sono state impiegate per collaudare tutte e tre le tipologie di Porter analizzate in questo lavoro di tesi.

Il Primo modello è il Porter utilizzato per il collaudo effettuato dal centro prove, una volta validato questo attraverso i dati forniti dal verbale è stato possibile creare i modelli anche per gli altri veicoli Porter che presentano dati differenti per operare un confronto.

4.1.1 Porter Li 198

Il Porter collaudato dal centro prove ha installato a bordo una energia pari a circa 19 kWh, il 10% in più se confrontato con il Porter Piaggio Electric Power presente nel catalogo Piaggio. Nella seguente figura viene mostrato il profilo di velocità richiesto dal ciclo (in blu) e il profilo di velocità compiuto dal veicolo

Figura 39 - Profilo di velocità del ciclo (blu) e profilo di velocità seguito dal veicolo (rosso)

L’andamento del profilo di velocità eseguito del veicolo risulta accettabile discostandosi poco nella prima parte del ciclo, quella composta da quattro sequenze elementari atte a simulare un percorso effettuato in una zona urbana. Diversamente si può dire per la parte finale del ciclo in

0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120

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[s] propDriver.from_kmh.y speedSensor.v

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cui viene simulata la percorrenza di un tratto di strada extraurbana con velocità di punta di 120 km/h.

Come si può vedere dalle figure il veicolo non riesce a raggiungere tale velocità di punta assestandosi a circa 55 km/ che, come scritto in precedenza nel paragrafo 2.1.1, essendo quest’ultima la velocità massima del veicolo, non è possibile seguire la parte più “estrema” del profilo di velocità richiesto dal ciclo.

Figura 40 - Profilo di velocità del ciclo (blu) e profilo di velocità seguito dal veicolo (rosso), tratto extraurbano

Nella figura successiva viene tracciata la potenza meccanica in uscita dal motore elettrico in funzione del tempo come si può vedere Il picco massimo di potenza è di circa 17 kW.

Si vede chiaramente come nelle accelerazioni è la batteria a fornire energia alla motore elettrico e a fornire energia per i carichi ausiliari, invece durante le decelerazioni avviene il recupero di energia cinetica del veicolo.

800 900 1000 1100 0 20 40 60 80 100 120

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Figura 41 - Potenza meccanica

In Figura 41 sono rappresentati gli andamenti della potenza erogata dalla batteria e le potenze assorbite dalla presenza dei carichi ausiliari e dell’azionamento propulsivo per la simulazione in ciclo urbano.

Figura 42 - Potenza erogata dalla batteria e potenze assorbite dagli ausiliari e motore elettrico (ciclo urbano)

0 200 400 600 800 1000 1200 -10 -5 0 5 10 15 20

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Figura 43 - Potenza erogata dalla batteria e potenze assorbite dagli ausiliari e motore elettrico (ciclo extraurbano)

A potenza costante, nell’ultima parte del ciclo, vengono richiesti circa 7.4 kW alla batteria per far avanzare il veicolo.

Dal verbale di collaudo del Porter da 198 Ah di capacità sono stati identificati i parametri di prova che sono stati impiegati per il collaudo, indicati nella Tabella 5, riportata per completezza.

SEZIONE FRONTALE [m2] 2.09

CX 0.42

MASSA [kg] 1440

CARICA BATTERIA INIZIO PROVA 100% CARICA BATTERIA FINE PROVA 8%

NUMERO SOSTE 1

DISTANZA PERCORSA [km] 112,4

Tabella 5 Dati forniti dal centro prove

800 900 1000 1100 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

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Il SOC (State Of Charge) ad inizio prova è del 100% e viene portato a fine prova all’8%, indicando che il veicolo è entrato in riserva; i chilometri percorsi nella prova sono stati 112.4, la simulazione effettuata con il software di simulazione è composta da una sequenza ripetuta di cicli NEDC tali da percorrere la distanza chilometrica riportata.

Figura 44 - Distanza chilometrica percorsa dal Porter 198 Ah

Figura 45 - SOC ciclo di omologazione simulato

Come si può vedere dall’ultimo grafico, il SOC della simulazione arriva ad un valore finale del 7%, commettendo un errore dell’1% rispetto a quello rilevato dal banco a rulli del Centro prova autoveicoli di Brescia. Si può ritenere il modello costruito valido dato che riporta risultati conformi a quanto misurato sperimentalmete.

0E0 5E3 1E4

-50 0 50 100 150

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[s] speedSensor.flange.s

0E0 5E3 1E4

0.0 0.4 0.8 1.2

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