STUDIO DI FATTIBILITÀ SULLA

REALIZZAZIONE DI UN SISTEMA DI

PROPULSIONE IBRIDO

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

FACOLTÀ DI INGEGNERIA

corso di laurea in

INGEGNERIA MECCANICA

Laboratorio di CAD

Candidato:

Luca Rizzi

Relatore:

Prof. Ing. Luca Piancastelli

Consumi mondiali di petrolio

AUMENTANO : • COSTO PETROLIO

• COSTO BENZINA, GASOLIO …

• INQUINAMENTO

NECESSARIE SOLUZIONI INNOVATIVE

PRESENTE

• Combustibili alternativi :

Metano, Gpl

• Aumento efficienza MCI :

Common rail, multijet, multiair

• Downsizing

FUTURO

• Celle a combustibile - idrogeno

Presenti ancora difficoltà

tecniche e costi molto

elevati

FUTURO PROSSIMO PROPULSIONE IBRIDA

MOTORE A

COMBUSTIONE INTERNAMOTORE ELETTRICO+

Vantaggi : Svantaggi :

• MCI funzionante a punto fisso

• Recupero energia in frenata

• Funzionamento in modalità

solo elettrica (emissioni zero)

• Meccanismo idle-off

• Maggiori costi d’acquisto

• Sofisticata gestione del sistema

• Eventuale aumento peso e

ingombro

• Autonomia solo elettrica limitata

IL PROGETTO

• Abbinare al motore turbodiesel Fiat 1.9 Jtd un motore elettrico brushless

• Il motore elettrico sostituisce il motorino di avviamento dal punto di vista

fisico e funzionale

• Scelta delle batterie per l’alimentazione del motore elettrico

• Stima dell’autonomia in modalità solo elettrica

• Utilizzo di supercapacitori per il recupero dell’energia in frenata

• Ideazione di tre possibili configurazioni dell’autovettura

OBIETTIVI

• Soluzione economica per la realizzazione di una configurazione ibrida

• Ottenere una autonomia soddisfacente in modalità solo elettrica e quindi

ridurre consumi di carburante ed emissioni nocive dell’autovettura

• Salvaguardare la vita delle batterie tramite l’utilizzo di supercapacitori

per gli spunti di potenza

• Rendere compatibili i nuovi componenti con ingombri e pesi di una

normale autovettura

MOTORE ELETTRICO

La scelta ricade sui motori brushless (senza contatti striscianti):

• Alta efficienza

• Possibilità di funzionare sia da

motore che da generatore

• Scarsa produzione di calore

• Alto rapporto potenza/dimensioni

Scelto il top di gamma della Hacker motors : Hacker A-200

Potenza max 15000 W

Tensione

alimentazione42 V

Peso 2590 g

Diametro 109 mm

BATTERIE

Le batterie più prestazionali sono gli accumulatori Li-Po (litio-polimero):

Vantaggi :

• Sono l’evoluzione delle batterie agli ioni di litio (Li-ion)

• Polimero non infiammabile Maggiore sicurezza

• Densità energetica 20% maggiore delle Li-ion e 3 volte le Ni-Mh

• Non hanno effetto memoria

• Elevate correnti di scarica

Svantaggi :

• Costi elevati

• Non possono essere completamente scaricate per evitare danneggiamenti

SCELTA BATTERIE

Il motore Hacker può essere alimentato con 12 celle Li-Po (12 S)

Tensione singola cella = 3,7 V Tensione totale = 44,4 V

Vengono prodotte batterie con un certo numero di celle (2S, 3S, 4S, 6S…)

Si può scegliere la configurazione più adatta per raggiungere le 12 celle necessarie

Per ridurre al minimo i cablaggi si sceglie la configurazione con due batterie da 6S

Scelta modello in base a:

• Capacità batteria

• Rapporto capacità/peso

Scelta batteria

Hyperion G3 VX – 35-65 C

Capacità Dimensioni Peso

Corrente di

scarica

Nom Max

6500 mAh 160x47x70,8 mm 1011 g 228 A 423 A

STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO

Utilizzo di un modello matematico per determinare la forza resistente (FR)

FR = P ∙ ( r0 + i ) + ( k ∙ P + b ) ∙ v2

• P = peso

• r0 = resistenza al rotolamento degli pneumatici

• i = tangente alla pendenza ( consideriamo i = 0)

• k = coefficiente di aumento resistenza rotolamento pneumatici

• b = coefficiente di resistenza aerodinamica

• v = velocità

Moto a velocità costante

Moto uniformemente accelerato

Forza motrice = Forza resistente

FM = ( m ∙ a ) + FR

FM ∙ v = Potenza motrice Energia = Potenza ∙ ∆t

Script elaborati con il programma di calcolo Matlab 7

STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO

Dati su accelerazioni, velocità e distanze teoriche percorse ricavati

dalla normativa europea

CICLO URBANO CICLO EXTRAURBANO

STIMA DEL CONSUMO ELETTRICO

Si ottengono così i consumi energetici in Watt-ora (Wh)

Dividendo il consumo energetico per la tensione di alimentazione del

motore elettrico ( 42 V ) si ottiene il consumo in Ampere-ora (Ah)

CicloTotale consumo

(Ah)

Distanza

percorsa (km)

Consumo per

chilometro

(Ah/km)

Urbano 10,040 4,068 2,468

Extraurbano 11,514 6,956 1,655

Distanza percorsa Consumo per chilometro

DIMENSIONAMENTO PACCO BATTERIE

• Consumo per chilometro = 2,468 Ah/km

• Capacità batterie = 6,5 Ah

• Coefficiente di sicurezza k = 0,8

Batterie esaurite per

chilometro

Numero batterie per km = Consumo per km / ( Capacità batteria ∙ k )

0,47 batterie per chilometro consumate

Dimensiono prendendo come riferimento il consumo del ciclo urbano

Autonomia voluta ≈ 60 km Numero batterie in

parallelo ≈ 30

42 V di alimentazione 2 batterie in serie

POSIZIONAMENTO PACCO BATTERIE

DEFINITIVO

Per motivi di sicurezza si è scelto di posizionare le batterie dietro al divano

posteriore, luogo protetto in caso di incidente.

Necessito di una configurazione delle batterie che tolga poco spazio al vano

bagagli

Dimensioni batteria: 160x47x70,8 mm

• 2 batterie per il lato da 47 mm

• 16 batterie per il lato da 70,8 mm

• 2 batterie per il lato da 160 mm

• Spessore ≈ 10 cm

• Larghezza ≈ 115 cm

• Altezza ≈ 33 cm

TOTALE 64 BATTERIE

POSIZIONAMENTO PACCO BATTERIE

DEFINITIVO

32 batterie in parallelo

2 file in serie

32 / 0,47 = 68 km di

autonomia in modalità

solo elettrica

Peso pacco batterie

64 batterie ∙ 1,011 kg = 65 kgRISULTATI OTTIMI

SUPERCAPACITORI

Sono condensatori elettrochimici a doppio strato

Immagazzinano energia elettrica polarizzando una soluzione elettrolitica

Elettrodi porosi : superfici di 2000 m2 per grammo

• Funzionamento efficiente e

reversibile

• Range di utilizzo tra -40°C e +65°C

• Capacità rimane sostanzialmente

costante ad ogni temperatura

SUPERCAPACITORI

Perché utilizzarli a fianco delle batterie:

• Efficienza di carica/scarica molto elevata

• Complementari alle batterie in quanto

sono ottimi per fornire picchi di potenza

per brevi periodi di tempo

• Efficiente recupero dell’energia cinetica

in frenata

• Risparmiano stress alle batterie

prolungandone la durata e riducendone il

numero complessivo

• Cicli di vita (carica/scarica) elevati

• Buon funzionamento anche a

temperature estreme

SUPERCAPACITORI

Fonte primaria :

• MCI

• Batterie

• Fuel-cell

Modello di applicazione

Richieste

medie di

potenza

Supercapacitori• Picchi di potenza

• Recupero energia

DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI

Dimensionamento per recuperare l’energia cinetica di una frenata da 50 km/h

Decelerazione media = 9 m/s2 Tempo frenata = 1,5 s

Potenza motore elettrico = 15000 W

Rendimento da generatore ( η ) = 0,8

Energia ( E ) = Potenza ∙ tFRENATA ∙ η = 18000 J

Scelta tra i supercapacitori della Maxwell Technologies

Numero celle in serie = V max / voltaggio cella = 17

Maxwell serie BCAP Voltaggio nominale cella = 2,7 V

Voltaggio max sistema = 44,4 V

DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI

Voltaggio nominale Hacker (VN) = 42 V

Corrente funzionamento ( I ) = E / ( tFRENATA ∙ VN ) = 285,7 A

Tempo rilascio energia ( tR ) = 2,5

Costante di tempo supercapacitore ( RC ) = 0,7

∆V = 5 V ( valore di primo tentativo )

Capacità sistema (CSIST) = I ∙ ( tR ∙ RC ) / ∆V ≈ 182 F

CSIST = Capacità cella ∙ # celle parallelo / # celle serie

# celle parallelo = 1

# celle serie = 17

Capacità cella = CSIST ∙ # celle serie ≈ 3100 F

DIMENSIONAMENTO SUPERCAPACITORI

Il supercapacitore con la capacità più

elevata è il BCAP3000 P270 con una

capacità di 3000 F

Rieseguendo i calcoli si ottiene:

Capacità sistema = 176,5 F

∆V = 5,2 VVALORI ACCETTABILI

Pacco da 17 supercapacitori da

abbinare a ciascun motore elettrico

installato

Peso ≈ 9 kg

Dimensioni ≈ 37x19x14 cm

CONFIGURAZIONI DELL’AUTOVETTURA

Sostituzione del motorino di avviamento con il motore elettrico Hacker

Configurazione classica:

• Motorino avviamento

accoppiato al volano della

frizione

• Frizione tra volano e

cambio

• Disinnesto pignone

motorino una avviato il MCI

CONFIGURAZIONI DELL’AUTOVETTURA

Sostituzione del motorino di avviamento con il motore elettrico Hacker

Configurazione ideata:

• Inversione di frizione e

volano

• Motore elettrico sempre

accoppiato al volano

• Adozione di un cambio

robotizzato (tipo selespeed)

per non dover utilizzare una

seconda frizione tra volano e

cambio

CONFIGURAZIONI DELL’AUTOVETTURA

Condizioni di funzionamento

Avviamento : • Frizione innestata

• Cambio in folle

Propulsione solo elettrica : • Frizione disinnestata

• Ruote trasmettono il moto dal motore elettrico

• Cambi di marcia garantiti dal cambio robotizzato

Propulsione con MCI : • Frizione innestata

• Ruote trasmettono il moto dal MCI

• Motore elettrico funziona da generatore

trascinato dal MCI

CONFIGURAZIONI DELL’AUTOVETTURA

Stima rapporto riduzione per l’avviamento

Motorino avviamento : 3 kW a 300 giri al minuto del volano

Motore Hacker : caratteristica di potenza lineare 3 kW a 1590 rpm

Rapporto riduzione ( i ) = 1590 / 300 = 5,3

Applicando una condizione di non interferenza

ottengo il numero minimo di denti del pignonez1’ = 15,8

Per ottenere valori interi che abbiano i = 5,3 scelgoz1 = 20

z2 = 106

Adottando un modulo di 2,5 mm

ottengo i diametri primitivi

d1 = 50 mm

d2 = 265 mm

VALORI

ACCETTABILI

PRIMA CONFIGURAZIONE

1 Motore Hacker accoppiato al volano

1 Pacco supercapacitori posto nel vano motore

1 Controller ed inverter

PRIMA CONFIGURAZIONE

Motore Fiat 1.9 JTD

Accoppiamento Hacker - volano frizione

SECONDA CONFIGURAZIONE

2 Motori Hacker accoppiati al volano

2 Pacchi di supercapacitori posti nel vano motore

2 Controller ed inverter

Il pacco batterie complessivo è il medesimo

SECONDA CONFIGURAZIONE

I due motori elettrici possono

essere entrambe installati sul

volano della frizione

Ognuno sarà alimentato in

modo autonomo dall’altro,

ma il pacco batterie rimane

invariato

TERZA CONFIGURAZIONE

2 Motori Hacker : uno accoppiato al volano, l’altro agente

sull’asse posteriore

2 Pacchi di supercapacitori : uno posizionato nel vano motore,

l’altro nel vano della ruota di scorta o contiguo alle batterie

TERZA CONFIGURAZIONE

Ulteriore gruppo cambio-

differenziale per ottenere

una configurazione a 4 ruote

motrici

I motori elettrici sono

sempre alimentati in modo

autonomo

PRESTAZIONI

Calcolo dell’accelerazione 0 – 50 km/h

Utilizzo del modello di resistenza aerodinamica presentato in precedenza

Velocità (km/h)

tempo

(s)

PRIMA

CONFIGURAZIONE

POTENZA 15 kW

0 – 50 km/h in 14,4 s

SECONDA e TERZA

CONFIGURAZIONE

POTENZA 30 kW

0 – 50 km/h in 6,5 s

CONCLUSIONI

• La realizzazione del sistema di propulsione ideata partendo da una base

già esistente è fattibile e potrebbe essere una soluzione economica

• Il sistema ibrido realizzato diesel - elettrico è innovativo e realizzabile

senza troppo modifiche e permette di risparmiare l’installazione di alcuni

componenti come l’alternatore

• Per la produzione in serie dovrebbe comunque essere realizzato un

motore elettrico ad hoc che possa arrivare a 20000 rpm : il motore Hacker

presenterebbe problemi di sovravelocità se trascinato dal MCI a causa del

rapporto di riduzione tra motore elettrico e albero motore

• Si è raggiunto un buon valore di 60 km di autonomia del veicolo in

modalità solo elettrica

• Pesi dei componenti aggiunti contenuti : 80 – 90 kg

• Buone prestazioni soprattutto per la versione da 30 kW

GRAZIE PER L’ATTENZIONE