Corso di Sistemi di Trazione Lezione 21: Sistemi di trazione innovativi, veicoli ibridi A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015

Argomenti Definizione di sistema di trazione ibrido Caratteristiche dei sistemi ibridi Principi di funzionamento: L’ibrido serie L’ibrido parallelo Il dimensionamento di un power-train ibrido-serie. Benefici degli ibridi Il docente inizia la lezione e descrive gli argomenti che tratterà. Le lezioni iniziano sempre con questa formula: “In questa lezione parleremo di: argomento 1 Argomento 2 Argomento n Ove opportuno, in questa come nelle altre slide, può essere utilizzato il seguente effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse. Per inserire nuove diapositive, utilizzare sempre l’apposita funzione di PowerPoint: Menu Inserisci Nuova diapositiva. Scegliere, eventualmente, dal Riquadro attività, un layout diverso da quello proposto in automatico, ma SEMPRE tra quelli disponibili. Evitare il layout “Solo titolo”.

Obiettivi Familiarizzare con il concetto di veicolo ibrido Conoscere le diverse configurazioni dei powertrain ibridi Capire come dimensionare un power-train ibrido Conoscere principali vantaggi del veicolo ibrido: Ridurre le emissioni locali Ha potenzialità di ridurre i consumi Conoscere i problemi che l’ibrido può risolvere e quelli che non può risolvere Il docente descrive gli obiettivi della lezione. Anche in questo caso può utilizzare l’ effetto di animazione: Entrata, Dissolvenza, Veloce, Al clic del mouse.

Definizione di sistema di trazione ibrido (1/2) Sistema di trazione che comprende almeno due motori di diversa natura (condizione necessaria ma non sufficiente) Composto da: Generatore di energia (normalmente un motore termico accoppiato con un generatore elettrico ma esistono altre soluzioni) Utilizzatore (normalmente un motore elettrico connesso alle ruote ma esistono diverse soluzioni) Organi intermedi (sia meccanici che elettrici)

Definizione di sistema di trazione ibrido (2/2) Sistemi ibridi con o senza accumulo energetico In assenza di accumulo energetico, si hanno sistemi come il diesel-elettrico ferroviario che non sempre sono considerati ibridi In presenza di accumulo energetico, la definizione di sistema ibrido è universalmente condivisa

Genesi del concetto di veicolo ibrido Il sistema ibrido consente il recupero dell’energia (potenza) spesa nella fase di frenatura Le zone di recupero sono quelle a potenza <0 Questo era già vero per i veicoli puramente elettrici negli ibridi (serie) si aggiunge un generatore Nell’ipotesi che questo eroghi potenza costante il grafico cambia così

Caratteristiche di un sistema di trazione ibrido (1/2) Con un sistema di accumulo energetico a bordo, il sistema ibrido consente: Il recupero parziale dell’energia cinetica del veicolo Diminuzione dei consumi energetici Ottimizzazione dei flussi energetici fra i vari componenti Diminuzione del consumo dei freni (vantaggi economici ed ecologici)

Caratteristiche di un sistema di trazione ibrido (2/2) Lo svincolo del sistema di generazione da quello di utilizzazione Ottimizzazione del comportamento energetico del motore primo Ottimizzazione delle sue caratteristiche ecologiche Impiego come motori primi di macchine non adatte alla trazione urbana ma con elevate caratteristiche energetiche ed ecologiche e poli-combustibili (es. motori a vapore)

L’ibrido parallelo Sia M1 che M2 possono fornire energia meccanica alle ruote Le potenze di M1 e M2 possono essere diverse a seconda di quale dei due si voglia privilegiare in trazione Motore elettrico + motore termico come caso classico (ibrido termo-elettrico) Complicazioni dovute ai sistemi di frizione e controllo tra alberi motore e trasmissione → aumenti di pesi e costi

L’ibrido bimodale Come l’ibrido parallelo, ma con la possibilità di collegare e scollegare i motori, anche singolarmente, alla trasmissione Filobus BREDA a Seattle: trazione diesel nella marcia all’aperto trazione elettrica nella galleria di fronte agli stabilimenti Boeing

Il sistema di trazione della Toyota Prius

Il sistema di trazione IMA (Integrated Motor Assist) della Honda

L’ibrido serie Motori svincolati dal punto di vista cinematico ed energetico Motore primo = generatore Motrice = utilizzatore Accumulatori = tampone energetico Scambi energetici possibili: Dal generatore alla motrice Dal generatore agli accumulatori Dagli accumulatori alla motrice Dalla motrice agli accumulatori

Funzionamento dell’ibrido serie Rilascio acceleratore: frenatura a recupero → la motrice funge da generatore e fornisce energia agli accumulatori Pedale sul freno: aumento coppia frenante del motore di trazione Quando coppia frenante massima → entrano in azione i freni meccanici La potenza del motore termico deve essere dimensionata in funzione della potenza media richiesta per il moto Potenza massima fornita dal motore di trazione attingendo energia dal sistema di accumulo Sistema di accumulo rifornito a potenza quasi costante dal generatore

Pro dell’ibrido serie Elevato rendimento energetico del motore primo Facile gestione di potenza e coppie erogate alle ruote Flessibilità del sistema di accumulo in accettazione ed erogazione dell’energia Semplicità applicativa Basso tasso inquinamento

Contro dell’ibrido serie Configurazione valida solo in ambito urbano (presenza di periodi di sosta): Il motore primo deve ricostruire la riserva di energia consumata con potenza ridotta e continua Impossibile nell’extra-urbano (elevata richiesta di potenza per la trazione) Bassi rendimenti nelle conversioni di energia Elevati costi per acquisto e manutenzione

Procedura per il dimensionamento di un veicolo ibrido-serie Stima delle caratteristiche del veicolo (pesi, dimensioni, ecc.); Determinazione dei cicli di marcia Calcolo potenza media Calcolo capacità delle batterie Calcolo delle specifiche dei motori-ruota

Missione tipica con tratto urbano (rosso) ed extra-urbano (giallo) Trasporto merci Missione tipica con tratto urbano (rosso) ed extra-urbano (giallo)

Potenza termica media

Capacità Accumulatori

Potenza massima alle ruote

Potenza massima in frenata

Caratteristica motore-ruota

Vantaggi nei confronti del powertrain elettrico Maggiore autonomia Drastica riduzione degli impianti fissi per la ricarica delle batterie Riduzione del costo unitario delle batterie Migliori prestazioni Contenimento di pesi e volumi occupati (riduzione o assenza dei pacchi di batterie)

Stato dell’arte dei veicoli ibridi Ibridi parallelo o serie-parallelo Toyota PRIUS oltre 3 milioni di auto vendute (1997) Tutte le case propongono versioni ibride (Honda, Peugeot, Volkswagen, Audi, Bmw, Ford) Ibridi serie Alcune applicazioni pilota per autobus ed altre flotte urbane (merci, nettezza urbana, ecc) BMW i3 (veicolo elettrico con range extender) Bosch rexroth hydraulic regenerative braking, hybrid diesel electric hydraulic system

Benefici comprovati dei veicoli ibridi sulla riduzione dei consumi La distribuzione dei consumi del veicolo convenzionale è due volte più ampia il che significa che traffico e conducente hanno il doppio dell’influenza sui consumi Stesso percorso urbano con diversi guidatori per due autovetture Honda Civic una ibrida (Hybrid) ed una convenzionale (2000) I consumi dell’ibrido sono mediamente oltre il 30% più bassi 10 20 30 40 50 60 6.5-7.5 7.5-8.5 8.5-9.5 9.5-10.5 10.5-11.5 11.5-12.5 12.5-13.5 13.5-14.5 >14.5 Consumo [Km/litro] % Missioni Hybrid 2000 16v

Benefici comprovati dei veicoli ibridi sulla riduzione delle emissioni (1/2) Stesso percorso urbano con diversi guidatori per due autovetture Honda Civic una ibrida (Hybrid) ed una convenzionale (2000) Le emissioni di CO sono ridotte in media di oltre l’80% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0.0-0.25 0.25-0.5 0.5-0.75 0.75-1 1-1.25 1.25-1.5 1.5-1.75 1.75-2 2-2.25 2.25-2.5 2.5-2.75 2.75-3 3-3.25 >3.25 CO [g/Km] % Missioni Limite Euro IV per CO [g/Km]

Benefici comprovati dei veicoli ibridi sulla riduzione delle emissioni (1/2) Le emissioni di NOx sono ridotte di oltre il 60% Come per i consumi c’è minore possibilità di influenza di guidatore e traffico su consumi ed emissioni Hybrid 2000 16v 10 20 30 40 50 60 70 0-0.02 0.02-0.04 0.04-0.06 0.06-0.08 0.08-0.1 0.1-0.12 0.12-0.14 0.14-0.16 0.16-0.18 0.18-0.2 0.2-0.22 0.22-0.24 >0.24 NOx [g/Km] % Missioni Limite Euro IV per NOx [g/Km]

Quali impatti del trasporto può risolvere il veicolo ibrido Il veicolo ibrido riduce i livelli di emissione rispetto al veicolo convenzionale e limita l’influenza del conducente quindi contribuisce positivamente problema dell’inquinamento locale Ha un impatto positivo sulla diminuzione del rumore

Quali impatti del trasporto non può risolvere il veicolo ibrido Non diminuisce la dipendenza dal petrolio ma, consumando meno combustibile riduce le emissioni di anidride carbonica Non risolve problemi di sicurezza Non risolve problemi di consumo di spazio Non risolve il problema della congestione

Conclusioni (1/2) Un veicolo ibrido ha almeno due motorizzazioni Normalmente una delle due è invertibile ed alimentata da un sistema di accumulo di bordo Così l’ibrido può svincolare la generazione di potenza dalla trazione e: far funzionare il generatore in condizioni ottimali recuperare l’energia di frenatura È opportuno che il docente al termine di ogni lezione proceda con un riepilogo degli argomenti trattati e si congedi utilizzando la formula “Grazie per l’attenzione”.

Conclusioni (2/2) Il dimensionamento ottimale dell’ibrido dipende dall’uso che ne viene fatto; più è definito l’uso più è efficiente il veicolo Un ibrido riduce emissioni e consumi ma non elimina le prime ed è alimentato dai combustibili L’ibrido non risolve i problemi di sicurezza, congestione o consumo di spazio È opportuno che il docente al termine di ogni lezione proceda con un riepilogo degli argomenti trattati e si congedi utilizzando la formula “Grazie per l’attenzione”.