Veicoli elettrici ed elettrico-ibridi , dimensionamenti

1. Veicoli elettrici ed elettrico-ibridi, dimensionamenti Ing. Giovanni Pede, Laboratorio Veicoli a Basso Impatto Ambientale 30 Aprile 2014

2. Schema dell’esercitazione • Dimensionamento di un veicolo a batteria • Modellazione di una batteria e di un condensatore • Dimensionamento preliminare di un autobus ibrido “serie”

3. 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

4. Caratteristiche di un tipico pulmino quattro porte M Cr Cd A 1476 kg 0,0126 0,29 2,6 mq

5. Specifichedella versione elettrica • Velocità massima continuativa: 70 km/h su pendenza del 2% • Autonomia: 60 km, in città

6. 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.

7. recupero marcia 20% 7 % 100 % 73 % Macchina elettrica Accumulo elettrico Trasmiss. 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 Il percorso della potenza dall’accumulo alle ruote: tenere in conto le perdite

8. Risultato dell’analisi dinamica La 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

9. 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

10. 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 (?): • Peso totale a pieno carico della versione elettrica: 1700 kg • Carico utile 500 kg • Peso a vuoto del mezzo : 1200 kg • Peso a disposizione per il power train elettrico: 1200-750 = 450 kg; per le batterie, quindi, rimangono 415 kg

11. 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

12. Prodotti commerciali, Litio-Io di energia (LiFePO4)

13. Alternative possibili

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

15. Un modello circuitale per batterie e supercondensatori Ogni rete lineare, vista da due nodi, equivale ad un generatore di f.e.m. e ad una resistenza interna (Teorema di Thevenin)

16. 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)

17. Le leggi di variazione dei parametri: f.e.m OCV = (0,3 SOC +1,89) V/cella

18. 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/cella Eosc = [(0,3 SOC +1,89) + 0.15] V/cella

19. 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.

20. 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

21. 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/cella e quello analogo in scarica: Kdis = = 0,16 Ah/cella

22. 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 W ed il rendimento medio di scarica della batteria: batt.dis = Pout / (Pperd+ Pout ) = 7200 / (7200+647) = 92%

23. 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

24. Lo studio del circuito: i principi di Kirchhoff S f.e.m. = S R I Vab - 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:

25. 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

26. Un modello semplificato del condensatore Le equazioni da usare: Q (t) = C Usc (t) ESC (t) = Usc (t) - I(t) Rint , trascurando quindi il ramo in parallelo a C

27. 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.

28. HBUS Innovazione Industriale Tramite Trasferimento Tecnologico COMUNE DI FIRENZE PROGETTO DI RICERCA PER LA REALIZZAZIONE DI BUS A TRAZIONE IBRIDO-ELETTRICA A CELLE A COMBUSTIBILE Istituto Motori CNR

29. 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

30. H2 comp. Veicolo ibrido in configurazione “Serie” Controllo flussi di potenza Sistema di propulsione elettrico Acceleratore Regol. trazione Freno Gener. FC DC/DC converter Trasm. Mec. DC/DC converter Motore Sistema di generazione/accumulo Pacco batterie

31. 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

32. Linea A Cicli di guida Linea C

33. Grado di ibridizzazione del veicolo Dall’elettrico “puro” all’autobus FC “Full power” . . . . Grado di Grado di ibridzzazione ibridzzazione HBUS 0 0 % % Elettrici puri Elettrici puri Elettrici puri 10 % 10 % Range extender Range extender Accumulo Accumulo 25 % 25 % Ibrido per uso urbano Ibrido per uso urbano Sistema di Sistema di Azionamento elettrico 60 % 60 % generazione generazione HD = 33% Ibrido “ Ibrido “ general purpose general purpose ” ” Reformer Reformer Fuel Cell Fuel Cell o MCI o MCI o alternatore o alternatore . . “Full “Full power power ” o ” o 100 % 100 % 3 3 2 2 1 1 0 0 trasmissione diesel trasmissione diesel - - elettrica elettrica Potenza totale installata Potenza totale installata Quindi, Fcpower = 15-20 kW

34. Simulazione del Sistema di Generazione FC

35. Dimensionamento dell’accumulo elettrico Con 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 kW L’energia accumulabile dal pacco sarà: 360 kg x 63 Wh/kg = 22 kWh

36. Caratteristiche drive-train

37. Line A 30 25 20 km/h 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 tempo 0.76 376 0.74 375 0.72 374 Line C Stato di carica 0.7 35 Tensione [V] 373 30 0.68 25 372 20 km/h 0.66 15 371 10 0.64 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 tempo [s] 370 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 800 1000 1200 1400 1600 1800 200 400 600 tempo [s] tempo Diagramma cinematico delle linee ed andamento dello stato di carica delle batterie

38. Batteria Bilancio energetico Rollamento + aerod. 2 kWh 5 kWh 0.9 kWh Fuel Cell H2 comp. Azionam. Azionam . . Acceller. 0.45 kWh 2.45 kWh 2.3 kWh 14.3 kWh 3.6 kWh Rendimento medio generatore F.: 35% Ausiliari Ausiliari Ausiliari Alè FCHV: 0.43 kgH2/ciclo (linea A - 6.5 km)

39. 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

40. Giovanni Pede giovanni.pede@enea.it Centro Ricerche ENEA “Casaccia”, Via Anguillarese km. 1.3 - 00060 Anguillara Sabazia - Roma, Italy