La motorisation hybrideFrançois Roby – UPPA - octobre 2004 La motorizzazione ibrida o la vettura...

La motorisation hybride François Roby – UPPA - octobre 2004

La motorizzazione ibridao la vettura a recupero d’energia


Ibrido o bastardo?

Motore termicoMotore elettrico

(+ batteria!)


C’è energia ed energia

● Una unità: il joule (J)● ≈ caduta di 1kg su 10 cm : unità piccola!● unità pratica: il watt-ora (Wh)

1Wh = 3600 J 1kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ

● energia « ordinata » o non

potenziale, cinetica, elettrica...

calore


Energie ordinate

cinetica: Ec = mv2/2

1 tonnellata, 68 km/h : 50 Wh

potenziale: Ep = mgh

1 tonnellata, 18 m : 50 Wh


L’elettricità pure...

-

-

+

+


reversibilitàdelle macchine elettriche


bisogni in energia?

● accelerazione (aumento di Ec)

0 a 68 km/h, 1 tonnellata: 50 Wh

● salita (aumento di Ep)

+18 m, 1 tonnellata: 50 Wh

● Resistenza all’aria, agli attritiDipende molto dalla velocità

Solo aria, vettura costante, 68 km/h, 50 Wh : 1 km

130 km/h, 50 Wh : 274 m


bisogni negativi?● decelerazione (diminuzione di E

c)

68 a 0 km/h, 1 tonnellata : -50 Wh

● discesa (diminuzione di Ep)

-18 m, 1 tonnellata : -50 Wh

● attriti...Non recuperabili!


Recupero d’energia

Ec

Ep}


Motore termico

1 litre carburante ≈ 10 kWh

10 litri / 100 km (10 km/l): 1 km per kWh o 50 m per 50 Wh (5 litri / 100 km (20 Km/l): 100 m per 50 Wh)

rendimento ≈ 1/3 : 3 Wh termici

1 Wh lavoro meccanico


Di male in peggio

Motore Mercedes benzina 1,8 l compresso

regime

coppia

potenza

0,33

0,27

0,16


Cambio tradizionale● frizione / convertitore idraulico● Numero fisso di rapporti (eccetto CVT)


Diagramma di funzionamento


Ricapitolando

Utilizzare la zona di rendimento massimo

+

Potenza moderata Scelta libera di regime


Ingredienti:

● Un motore termico non troppo potente● Un motore/generatore elettrico ● Una batteria per immagazzinare● Un cambio a variazione continua

e… far funzionare l’insieme!


Tipologia degli ibridi

seriale Parallelo

batteria

centralinaGeneratore

Motore/Gen. elettrico



Ibrido al quadrato

Seriale-parallela


batteria

CentralinaTreno epicicloidale



Soluzioni odierne

● Ibridazione «leggera» :– Si parte da una architettura esistente– Motore elettrico e batteria « discreti »

● Ibridazione «pesante» :– Si parte da zero– Parte elettrica «non disinseribile»


Ibridazione leggera

Honda Insight (1999)3 cilindri, benzina, 1000 cm3

50 kW (67ch) + 10 kWbatteria NiMH 144 V 6,5 Ah (936 Wh)m < 900 kg, consumi: ≈ 3,5 l / 100km


Impianto tecnico


Ibridazione pesante

Toyota Prius (modèle 1997, Japon)4 cilindri, benzina (ciclo Miller), 1500 cm3

43 kW (58 ch) + 30 kWbatteria NiMH 288 V 6,5 Ah (1,87 kWh)m ≈ 1240 kg, consumi: ≈ 5 l / 100km ?


Ciclo Atkinson

Ciclo Otto :● rapporto di espansione non ottimizzato

● perdite di pompaggio all’immissione

Soluzione proposta da James Atkinson (1882)


Ciclo Miller

Problemi del ciclo Atkinson :●Attriti supplementari

●Complessità meccanica

Soluzione proposta da Ralph Miller (USA) negli anni 1940


Come funziona?

● Nessun cambio

● Nessuna frizione o convertitore idraulico

● Non uno, ma due motori elettrici


Principio del« Power Split Device »

Treno epicicloidale

Motore generatore

MG2

MG1


Impianto meccanico


Il cuore della trasmissione


Tutto passa di là


Treno epicicloidale

● Già presente nel cambio automatico tradizionale

● Matematicamente paragonabile ad un differenziale

● Non è una «vera» trasmissione a variazione continua!

● Necessita di due motori elettrici di cui uno grande (con tanta coppia)


Trasmissione continua?

● Definizione di un rapporto di trasmissione?– Rapporto di velocità d’entrata / d’uscita– Rapporto di coppia d’uscita / d’entrata

Principio di leva

● problema:– Tre alberi, dove sono le entrate e le uscite?– Rapporto di coppia costante


Forza e coppia


Cliccadromo interattivo

Approfittiamo del lavoro dei altri...

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Trasmissione ad una velocità a presa costante

Una invenzione di Shadok?


Riscaldamento o ricarica all’arresto

guida «normale»

Modalità elettrico

Modalità «eretico»

Retromarcia (sempre elettrico)

Le diverse modalità della trasmissione


In pratica

● Per il guidatore medio :– Pedale destro: accelerare– Pedale sinistro: frenare

● Per i curiosi :– Fonte di esperienze e misurazioni


Misurazioni


Qualche risultato


Trasmissione elettro-meccanica


E la batteria?


Difficile da scaricare


... ma facile a ricaricare!


Quanta energia recuperata ?


● dislivello : h = 700 m

● massa (vettura + benzina + conducente +...) : m = 1400 kg

● g = 9,81 m.s-2

● Ep = mgh = 9,6 MJ = 2,7 kWh

● Ebatteria

= 0,7 kWh

Calcoli a tavolino

Ebatteria

/ Ep = 0,26

ovvero 4 km gratuiti per 8 km di discesa


Diagramma di funzionamento


Bilancio consumi


Bilancio inquinamento: benzina


Bilancio inquinamento: diesel


Paragone ingannevole

● benzina : 34,7 MJ = 9,63 kWh per litro

● diesel : 38,7 MJ = 10,74 kWh per litro (+12%)

en énergie,5 litres d'essence = 4,5 litres de diesel

● Rendimenti diversi (sebbene...)


Il taxi ideale?


certains le pensent


Effetti secondari

● Modalità elettrica se la velocità < 50 km/h :

Viva i 50 in città.

● Frenata rigenerativa se (molto) moderata:

Invito alla anticipazione

● Manovre in modalità elettrica:

Un vero piacere

Nessuna scusa per parcheggiare male


Fuel Cell Marathon(mai – juin 2004)


Dimostrazione per l’assurdo

GM HydroGen3 (www.gmeurope.com/marathon/)

Pila a combustibile non ibrida

«Ogni 150 chilometri al massimo dovevamo fermarci per rifornirci, che ci forniva un’autocisterna: circa 75 litri di idrogeno liquido, pesando meno di cinque chili, raffreddato a -

253°C, è un pieno.»«Usiamo esattamente 1 chilo di idrogeno per 100 chilometri sfruttando le discese (l’auto non ha freno motore).»


Confronto di energie

50 l/100 km d’idrogeno liquido (-253°C)

33 kWh / kg ; 50 l = 3,5 kg cioè 117 kWh

Prius : 4,3 l/100 benzina cioè ≈ 42 kWh

... Senza contare il resto !

(energia di liquefazione dell'idrogeno)

energia di liquefazione dell'idrogeno


E l’idrogeno rinnovabile?

+ =

● 1 kW / m2 > 200 W / m2 mediamente● cellule: r = 20 % (!?) > 40 W / m2

● 1000 m2, 24 h > 960 kWh > 100 litri di carburante tipo senza piombo 95

● Distributore tipico: 10 000 litri / giorni...


Futuro?

● Generalizzare l’architettura ibrida● Diesel ibridi, inizialmente sui veicoli commerciali● Apparizione degli ibridi ricaricabili● Pila a combustibile «ammazzati nell’uovo» da

nuove batterie?● Obbiettivo a 5 anni: vettura Diesel, ibrida, 3

l/100 km, pulita dal particolato e NOx


Evoluzione corta ma istruttiva

La più anziana delle ibride: Toyota Prius

modelli successivi:

1997 (NHW10), 2000 (NHW11), 2003 (NHW20)

NHW10 NHW11 NHW20Pot. Mot. Termico(kW) 42 52 57

Pot. Mot. Elettrico(kW) 30 33 50

Capacità batteria (kWh) 1,9 1,8 1,3

Massa batteria (kg) 76 52 45

0 a 100 km/h (s) 14,5 13,4 10,9


Non dimentichiamo l’essenziale…

L'automobile è indispensabile?

Difficile farne a meno ma:

● L’uso abusivo nelle piccole distanze in citta (bicicletta, rollers, bus... E a piedi!)

● L’uso abusivo sulle lunghe distanze (treno molto più efficace energeticamente)

● Non credete che la tecnica risolvi tutti I problemi (effetti perversi sempre presenti!)


Grazie !

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