Veicoli elettrici ed elettrico-ibridi, dimensionamenti

Ing. Giovanni Pede, Laboratorio Veicoli a Basso Impatto Ambientale

30 Aprile 2014

Schema dell’esercitazione

1. Dimensionamento di un veicolo a batteria

2. Modellazione di una batteria e di un condensatore

3. Dimensionamento preliminare di un autobus ibrido “serie”

Dimensionamento del motore e della batteria per un veicolo elettrico

Calcolo della potenza motrice necessaria alla marcia a velocità massima (continuativa) in salita

Calcolo dell’energia necessaria per una autonomia data, in piano, in città

Dimensionamento della batteria

Caratteristiche di un tipico pulmino quattro porte

M Cr Cd A 1476 kg 0,0126 0,29 2,6 mq

Specifiche della versione elettrica Velocità massima continuativa: 70 km/h su pendenza del 2% Autonomia: 60 km, in città

Dinamica dell’autoveicolo: a velocità costante

Il prodotto della forza motrice per la velocità è la potenza (istantanea) richiesta alle ruote. L’integrale della potenza nel tempo ci dà l’energia da fornire alle ruote.

Il percorso della potenza dall’accumulo alle ruote: tenere in conto le perdite

Macchina elettrica Trasmiss.

Accumulo elettrico

Rendimento totale di trasformazione dell’energia elettrica accumulata in lavoro alle ruote: 73% Nel rendimento di trasmissione si inglobano anche le perdite meccaniche aggiuntive a valle del motore elettrico. Si considera nullo il recupero in frenata

20% 7 %

100 %73 %

marcia

recupero

Risultato dell’analisi dinamicaLa potenza di batteria necessaria mantenere una

velocità continuattiva di 70 km/h su di una pendenza del 2%, è dato dalla somma delle potenze necessarie a vincere le tre resistenze al moto:

Pbatt = Paer + Prot + Pgrav

= 22 kW

Per estendere poi al moto vario l’analisi dinamica occorre mettere in conto anche le forze inerziali. Per semplicità, considereremo nullo il recupero in frenata

Risultato dell’analisi energetica

L’energia in batteria necessaria ad una percorrenza di 60 km, in ciclo urbano (1,016 km), è dato dall’energia necessaria per un ciclo:

Ebatt = ∫ Pbatt (t) dt = 0,173 kWh

moltiplicato per il numero dei cicli contenuti in 60 km:n. cicli = 60/1,016 = 59

Etotbatt = 0,173 x 59= 10,2 kWh

Vincoli di peso cui sottostare nel progetto

Peso a vuoto del Porter originale senza motorizz: 750 kg Carico utile originale: 576 kg Motorizzazione termica: 150 kg Peso a pieno carico: 1476 kg

Peso a disposizione per azionamento elett. (35 kg) e batterie (?):1. Peso totale a pieno carico della versione elettrica: 1700 kg2. Carico utile 500 kg3. Peso a vuoto del mezzo : 1200 kg4. Peso a disposizione per il power train elettrico: 1200-750 =

450 kg; per le batterie, quindi, rimangono 415 kg

Prodotti commerciali, piombo-acido

Con le piombo-acido l’energia va maggiorata del 25% perché la batteria può essere scaricata fino all’80% e non di più.E’batt = 10 kWh x 1,25 = 12,5 kWh

Prodotti commerciali, Litio-Io di energia (LiFePO4)

Alternative possibili

Peso batteria ,in kg, necessario per assicurare l’autonomia di 100 km

Peso batteria,in kg, necessario per il funzion. alla potenza di 15 kW

Peso minimo della batteria: il maggiore dei due valori a sinistra

Batteria piombo/acido

=12.500 Wh / 30 Wh per kg = 426 kg

= 22.000 W / 90 W per kg = 245 kg 426 kg

Batteria Litio = 10.000 Wh / 67 Wh per kg = 153 kg

= 22.000 W / 200 W per kg = 82.5 kg 153 kg

Due possibili pacchi batteria:Composizione Peso del

paccoTensione del

pacco

Batterie al piombo

n. 13 moduli 6V/185 Ah,

(peso unitario 32 kg)

416 kg 13 x 6 V = 78 V

Batterie al Litio n. 8 moduli 12 V/100 Ah, (peso unitario 20 kg)

160 kg 8 x 12 V = 96 V

Batteria finale : n. 16 moduli 12 V/ 100 Ah, 320 kg totali, autonomia in ciclo urbano 120 km

Un modello circuitale per batterie e supercondensatori

E 0 V ab

I V ri

r a

b

Ogni rete lineare, vista da due nodi, equivale ad un generatore di f.e.m. e ad una resistenza interna (Teorema di Thevenin)

Ipotesi per la modellazione degli accumulatori

I parametri del generatore (forza elettromotrice) e della resistenza interna della batteria, non sono fissi ma funzione dello stato di carica della batteria

Al diminuire dello stato di carica SOC della batteria, la forza elettromotrice Eo diminuisce, perché il sistema si avvicina all’equilibrio elettrochimico.

La resistenza interna invece aumenta perché diminuiscono gli ioni, positivi e negativi, per il trasporto della carica.

Eo ed Rt sono quindi entrambi f (SOC)

Le leggi di variazione dei parametri: f.e.m

OCV = (0,3 SOC +1,89) V/cella

Le sovratensioni di polarizzazione

La forza elettromotrice (o controelettromotrice, durante la ricarica) della batteria, deve tener conto anche della cosidetta “resistenza di polarizzazione”, che ha ovviamente verso opposto nelle due fasi:nella fase di ricarica, aumenta il valore della tensione da applicare ai morsetti, nella scarica riduce la tensione generata

Eoric = [(0,3 SOC +1,89) - 0.08] V/cellaEosc = [(0,3 SOC +1,89) + 0.15] V/cella

La resistenza interna La sperimentazione al banco delle batterie al piombo

ci dimostra che in una zona centrale di funzionamento della batteria, compresa tra il 30% ed il 60% dello variazione dello SOC, la resistenza interna della batteria rimane all’incirca costante.

Internal 1C-discharge resistance vs DOD at 23°C

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100DOD (%)

IR 1

C-d

ischa

rge

(m/cell

)

Before Life CycleAfter 20 Life CyclesAfter 40 Life CyclesAfter 60 Life Cycles

Il fattore di resistenza interna (1)

Conviene esprimere la resistenza di un batteria come il prodotto:

- di un parametro caratteristico di quella particolare tipologia di batterie, detto “fattore di resistenza”, diverso in carica e scarica, espresso in Ah/cella

x l’inverso della capacità della cella x il numero delle celle che costituiscono la

batteria. Rbatt = (Kchg / C ) x n.celle

In questo modo, è facile ricalcolarla al cambiare delle caratteristiche del modulo/batteria

Il fattore di resistenza interna (2)

Chiamando Kchg il fattore di resistenza in carica, espresso in Ah /cella, e C5 la capacità nominale di scarica a 5 ore, poniamo quindi per definizione:

Kchg = Rchg x C5 Nel nostro caso abbiamo:

C5 = 70 Ah, Rchg (valor medio misurato) = 0.004 /cella,

quindi per la tipologia considerata il fattore di resistenza in carica vale:

Kchg = Rchg x C5 = 0,28 Ah/cellae quello analogo in scarica:

Kdis = = 0,16 Ah/cella

Esempio numerico

La Rint della batteria della Fiat 600 Elettra, costituita da 18 moduli da 12V/42Ah (n.celle = 18x12/2 = 108) è pari a:

Rchg = 0,28 Ah/cella x 108 celle /42 Ah = 0.7 Rdis = 0,16 Ah/cella x 108 celle /42 Ah = 0.4

Con correnti medie assorbite nel ciclo urbano dell’ordine dei 40A, le perdite in batteria risultano:

Pperd = 0.4 x 40 2 = 647 Wed il rendimento medio di scarica della batteria:

batt.dis = Pout / (Pperd+ Pout ) = 7200 / (7200+647) = 92%

Lo studio del circuito:

Dati in ingresso:caratteristiche della batteria

composizione (tipologia, tensione cella, n.celle)resistenza interna ed andamento OCV

andamento delle potenze richieste Dati in uscita:

andamento delle tensioni e delle correnti

Lo studio del circuito: i principi di KirchhoffS f.e.m. = S R IVab - Eo = Rint I

Moltiplicando per la corrente I due membri:Vab I = Eo I + Rint I2

Il termine a sinistra è proprio la potenza di batteria, data quindi da:Pb = Eo i + Rint I2

In definitiva, la corrente I si ricava dalla formula risolutiva dell’equazione di 2° grado:

b

bbtoob R

RPEEI

*2**42

b

bbtoob R

RPEEI

*2**42

Altre assunzioni: La resistenza interna in realtà è una impedenza, per

tener conto anche dei fenomeni capacitivi che si verificano all’interfaccia elettrodo/elettrolita. Di questo occorre tener conto per modellare i transitori. Nei modelli solo energetici, non dinamici, può trascurarsi

Con il procedere della scarica, occorre ricalcolare ad ogni passo lo stato di carica delle batteria SOC, sommando algebricamente la variazione di carica allo stato di carica iniziale

Nella modellazione della batteria di un ibrido, dove la variazione dello stato di carica è in genere contenutà in un range limitato, si può trascurare la variazione dei parametri suddetti durante l’uso della batteria

Un modello semplificato del condensatore

Esr

Epr

C

Le equazioni da usare:Q (t) = C Usc (t) ESC (t) = Usc (t) - I(t) Rint , trascurando quindi il ramo in parallelo a C

Altre assunzioni:

La resistenza interna del condensatore, a differenza di quella delle batterie, si può considerare costante al variare dello SOC, anche se degrada molto lentamente nel tempo. Sempre diversamente dalle batterie, com’è noto la capacità dei condensatori non dipende dalla corrente erogata (o assorbita) (Legge di Peukert)

La corrente I(t) del supercondensatore, nota la potenza Psc da erogare o da assorbire, si ricava dall’espressione già usata nel caso delle batterie, sostituendo naturalmente quanto dovuto.

COMUNE DI FIRENZE Innovazione Industriale

TramiteTrasferimento Tecnologico

 

PROGETTO DI RICERCA PER LA REALIZZAZIONE DI BUS A TRAZIONE IBRIDO-ELETTRICA A CELLE A COMBUSTIBILE

HBUS

Istituto MotoriCNR

Caratteristiche del veicolo di base Autobus elettrico

(Autodromo di Modena) Motore elettrico: 70 kW

(max) Batterie Zebra (n.5) Velocità max: 50 km/h Autonomia: 100 km Peso totale: 9.800 kg

Veicolo ibrido in configurazione “Serie”

Freno Acceleratore

Sistema di generazione/accumulo

Sistema di propulsione elettrico

Gener.FC Motore Trasm.

Mec.DC/DC

converter

Pacco batterie

Regol. trazione

DC/DC converter

Controllo flussi di potenza

H2 comp.

Specifiche di progetto

Velocità massima 50 km/h Max pendenza superabile > 16% Autonomia approx. 120 km Capacità passeggeri > 30 Sistema di trazione FC System

ibridiz. Alimentazione H2 compresso

Linea A Linea CDurata corsa + sosta (3-5 min) 45 min 35 min

Velocità media trasferimento al deposito

18 km/h 13.5 km/h

Velocità commerciale 9.8 km/h 9.4 km/h

Durata del servizio 11h 30min 11h 30min

No. Corse giornaliere 15 + 2 19+2Distanza totale percorsa

~ 100 km/d

~ 100 km/d

Cicli di guidaLinea A

Linea C

Grado di ibridizzazione del veicolo

Grado di ibridzzazione

Elettrici puriElettrici puri 0 %

100 %

Range extender

Ibrido “general purpose”

“Full power” otrasmissione diesel-elettrica

.

AccumuloSistema di generazione

Reformer o MCI

Fuel Cell o alternatore

..Grado di

ibridzzazione

10 %

Ibrido per uso urbano 25 %

60 %

Potenza totale installata

3 12 0

0 %

100 %

Range extender

Ibrido “general purpose”

“Full power” otrasmissione diesel-elettrica

.

Accumulo

Azionamento elettrico

Sistema di generazione

Reformer o MCI

Fuel Cell o alternatore

..

10 %

Ibrido per uso urbano 25 %

60 %

Potenza totale installata

3 12 0

Elettrici puri

Dall’elettrico “puro” all’autobus FC “Full power”

HBUS

HD = 33%

Quindi, Fcpower = 15-20 kW

Simulazione del Sistema di Generazione FCFuel cellParametri di ingressoTensione di lavoro, V Vfc 0.7Consumo H2 NL/Ah QH2 0.42Consumo O2, NL/Ah QO2 0.21Eccesso aria Karia 200%No. celle Ncelle 100Densità di corrente, A/cm2 0.428Area attiva, cm2 Acella 700Corrente nominale, A 300Voltaggio nonimale, V 70Temperature acqua raffredd. °C 60

Portata acqua raffredd, L/h QH2O 50Potere calorifico inferiore H2, kCal/kg 28520

Potere calorifico infer. H2, kWh/Nm3 EnH2 2.92

Consumo spurgo H2, Nm3/h 0,90Cadenza spurgo /min 1Volume spurgato, L 15

Stack PEFC / Valori calcolatiPotenza stack, kW Pstack 21Portata H2 agli spurghi, Nm3/h Q_H2 12.6Portata H2 totale, Nm3/h QtotH2 13.5Portata aria, m3/h Qtot O2 60Efficienza stack 57%Efficienza stack (compresi spurghi)

Eff stack 53%

Consumo specifico, Nm3/kWh 0.643

Potenza netta del sistema, W P_net 16681

Efficienza del sistema (LHV) Eff_sist 42%

Consumo specifico (Nm3/kWh)

0.808

Dimensionamento dell’accumulo elettricoCon un grado di ibridizzazione ridotto, l’accumulo deve essere costituito da

batterie e non da SC

Inoltre, la strategia di controllo è ON/OFF, per cui, a FCoff , la potenza della batteria deve uguagliare quella dell’azionamento

PotenzaBatterie = 70 kW

In definitiva, sceglieremo batterie Li-Io, potenza specifica 200 W/kg, quindi, orientativamente, ci occorrono 350 kg di batterie; porremo poi Vbatt = 360 V.

Serviranno 30 moduli da 12 V, il cui peso dovrà essere intorno a 12 kg, come il modulo da 12 V/60 Ah. La potenza massima del pacco sarà:

360 V x 3C = 360V x 180 A = 65 kWL’energia accumulabile dal pacco sarà:

360 kg x 63 Wh/kg = 22 kWh

Caratteristiche drive-trainSISTEMA DI GENERAZIONE AZIONAMENTOCella a combustibile Motore brushlessCombustibile H2 compr Potenza nominale 50 kWPotenza nomimale 16.8 kW Potenza massima 70 kWRegolazione On/off Velocità e coppia

massima2150 rpm / 1350 Nm

Peso 300 kgACCUMULO PRIMARIO BATTERIENo. bombole / peso totale

5 / 180 kg No. moduli / peso totale 30 / 360 kg

Accumulo di idrogeno 108 Nm3 Capacità 60 AhPressione 200 bar Nominal voltage 360 VVolume interno 500 liters

Diagramma cinematico delle linee ed andamento dello stato di carica delle batterie

Line A

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500tempo

km/h

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000.64

0.66

0.68

0.7

0.72

0.74

0.76

tempo [s]

Sta

to d

i car

ica

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000370

371

372

373

374

375

376

tempo [s]

Tens

ione

[V]

Line C

0

5

10

15

20

25

30

35

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800tempo

km/h

Bilancio energetico

Azionam.Azionam. .

AusiliariAusiliari

5 kWh

2.45 kWh

Rendimento medio generatore

F.: 35%

Rollamento + aerod.

2 kWh

Acceller.0.45 kWh14.3 kWh

Ausiliari

3.6 kWh2.3 kWh

0.9 kWh

Alè FCHV: 0.43 kgH2/ciclo (linea A - 6.5 km)

Fuel Cell

Batteria

H2 comp.

Verifica dell’autonomia del mezzo

Consumo specifico: 0,8 kWh elettrici/km / 70 g H2O / km

Capacità totale dei serbatoi in pressione: 108 Nmc x 89 g = 9,4 kg idrogeno

Percorrenza consentita dalla sola FC: 9400/70 = 135 km

Percorrenza aggiuntiva sulle batterie:22/0,77 = 30 km

Giovanni Pedegiovanni.pede@enea.it

Centro Ricerche ENEA “Casaccia”, Via Anguillarese km. 1.3 - 00060 Anguillara Sabazia -

Roma, Italy