ldb republicar eletric_01

Republicar Electricindipendenza energetica con un kit

Ing. Davide Tarsitano, Ph.D.Dipartimento di Meccanica

Politecnico di Milano

Via G. La Masa 1, 20156 Milano

Tel. 02 2399 8378 - Fax 02 2399 8492

e-mail [email protected]

Ing. Davide Tarsitano

Some of ‘‘my’’ prototype 2


Indice

1. Tipologie di veicoli ibridi / elettrici

2. Criteri per il dimensionamento del sistema di accumulo

3. Modelli di simulazione per il dimensionamento del power train/accumulo

4. Sistemi di monitoraggio per le batterie da trazione

5. Sitemi di ricarica standardizzati

6. Kit ibrido bimodale

3


4

Conventional vehicles

• Consolidated technology

• Held down costs

• Use up hydrocarbons

• Polluting emissions

• Low efficiency 25-30 %

• Gear box and clutch


5Electrical Vehicle

• Fuel tank

replaced by:

Battery

• ICE, Clutch/Gear box

replaced by:

Power electronic

converter and electric

motor


6Electrical vehicle: Power train architecture

• Plug In Battery charger on

board

• Battery

• Electronic power converter

• Fixed gear ratio transimssion


7Electrical vehicles: Advantages and Disadvantages

Advantages:

• No clutch / gear box

• Energy recovery with regenerative brake

• High efficiency on energy conversion

• Zero emissions in use

• Silent operation

• Simplified maintenance

Disadvantages:

• Restricted electrical range (120-160 km).

• Performance(140 km/h max. speed).

• Conventional electrical recharging times (4-7 h)

• Fast charging time: 40 minutes with double battery charger

• High costs still remain

• Sustainable costs only with money incentives


8Different configurations of Hybrid vehicles

Hybrid vehicles have different typologies and configurations:

� Micro Hybrids

� Mild Hybrids

� Full hybrids

� Plug-in Hybrids

� Extended Range Electric Vehicles (EREV)

Differences:

• Ratio between electric motor power and ICE power (DOH)

• Ratio of stored energy between fuel tank and electrochemical battery

• Configurations of mechanical and electrical connections between motors, according to parallel or series typologies


9Series Hybrid vehicle

• Electric Motor and Thermal Engine are connected “electrically”.

• Only the electric motors is couplet to the wheels.

• Is an electric vesicle plus a moto-generator.

• This architecture is adopted in railway and large vehicles.

• For automotive is used as a “range-extender”.


10

Parallel Hybrid Vehicles

• Motors are “mechanically” connected

• Both motors co-operate giving power to the wheel

• Adopted solution in automotive applications


11

Motor Generator

Starter

Classical

Mild and Full hybrid

Plug In/

Bimodale

Start & Stop

Micro hybrid

El

ICE

PDOH

P= Power ratio between Electric motor and ICE

Hybrid vehicle: different degrees of hybridization

AER All Electric Range

DOH Medium Medium-High Low

AER Low (1-5km) Medium (20-40 km) Nothing


12Innovative vehicle architecture

• Integratio of thermal motor and generator

• No mechanical transmissione

(Power By Wire)

• Independent hub motor wheel

• On board battery charger (Plug-In)

• 4 independant steering wheels (drive by wire)

• Active suspension with energy harvesting system

• Solar Panel

• Dynamic and stability vehicle control


13Hybrid: Electric motor and ICE Efficiency maps

1000 2000 3000 4000 5000 60000

20

40

60

80

100

0.050.1 0.1

0.15 0.15

0.20.2

0.225

0.225

0.25

0.25

0.2

75

0.275

0.3

0.3

0.3

1

0.3

1

0.32

Co

pp

ia [N

m]

rpm

Motore endotermico

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

-60

-40

-20

0

20

40

60

0.7

0.7

0.7

0.7

0.85

0.85

0.85

0.85

0.9

0.90.93

0.93

rpm

Co

pp

ia [N

m]

Motore Elettrico

Electric motor has an efficiency over 70%

throughout the operation field

Conventional vehicle

Hybrid vehicle

Working Zone ICE


14

Vehicles performance comparison (City Car)

Vehicle

Efficiency(tank towheel)

[%]

EmissionCO2

[gr/km]

Energy fromfossil fuel

[MJ/km]

Energy cost[€/100km]

Notes

Gasoline vehicle 28 159 0,56 8,2

Conventional Hybridvehicle 40,5 111 0,38 5,64

Electrical Energy produced on board

Electric

(energy from fossilfuel)

35 81-140 0,51 3.5Delocaziation of

pollutant emission

Electric

(energy fromrenewable )

85 0 0 3.5 Zero emission

Electric

(EU Mix) *-- 43 0,27 3.5

Reduction and delocalizzation of emission

Plug in HEV

(EU Mix)*-- 95 0,32 4,9 (use in all electric for city )

* Average EU enegy productio mix (27% nuclear, 20% renewable, 53% fossil).


Indice







15


16Riepilogo Complessivo


17Differenti tipi di accumulatori


18Esempi di utilizzo nel settore della trazione automobilistica


Criteri per il dimensionamento 19

Tramite il segnale gps e una applicazione per cellulare è possibile acquisire il profilo di velocità e la pendenza affrontata dal mezzo stando a bordo dello stesso.

Nei grafici viene visualizzato un tratto di linea di un filobus a Milano.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100105

110

115

120

125

130

Distance (m)

Alt

itu

de (

m)

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000

10

20

30

40

50

60

time [s]

Sp

ee

d (

kp

h)


Criteri per il dimensionamento

Le prestazioni del mezzo sono ricavabili tramite l’equazione della dinamica longitudinale

20

21cos sin

2res v x rel

mot res eq

F mgf mg C Sv

F F M a

α α ρ= + +

− =



0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Tempo [sec]

Velo

cità [

km

/h]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-1

0

1

Tempo [sec]

Acc [

m/s

ec

2]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

10

20

Tempo [sec]

Vel [m

/sec]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

Tempo [sec]

Spos [

km

]

0 50 100 150 200-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

Tempo [sec]

Forz

e [N]

Finerzia

Fattr-volv

Faero

Fgravit



0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

Tempo [sec]

Energ

ia c

um

ula

ta [

kW

h]

PotBatteriaNoRec

PotVeicolo

PotBatteria

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tempo [sec]

Pote

nza ista

nta

nea [

kW

]

PotBatteriaNoRec

PotVeicolo

PotBatteria


Criteri per il dimensionamento

Se il mezzo è di tipo ibrido

23

mot res eq

EMw ICEwmot

w

F F M a

T TF

r

− =

+=

Per il dimensionamento

del sistema di accumulo

di bordo è necessario

legare il modello di

simulazione all’algoritmo

per la ripartizione di

coppia fra i due

propulsori.


Indice







24


Power train modeling 25



V vehicle model,

GB gear box,

PC power converter,

B battery pack,

FT fuel tank,

AL auxiliary loads block,

v, a vehicle’s speed and acceleration,

f vehicle traction force,

W angular speed,

TICE and TEM ICE and the EM torques,

fc is the fuel consumption,

I and Vs are the electrical motor current and voltage,

ibatt and Vbatt are the battery current and voltage,


Power train modeling - battery 28


Power train modeling - PMSM 29


Power train modeling - ICE 30


Indice







31


BMS 32


BMS – balancing methods 33


BMS – module to cell balancing 34


Indice







37


38


39


Sistemi di ricarica 40


Sistemi di ricarica

Modo 1

41

da presa di corrente domestica

fino a 16 A o industriale fino a

16 A, 230 V senza circuito

pilota di controllo


Sistemi di ricarica

Modo 2

42

da presa di corrente domestica

fino a 16 a o industriale fino a

32 A, 230 V con circuito

pilota di controllo (e sistema

PWM) integrato nel cavo di

alimentazione del veicolo.


Sistemi di ricarica

Modo 3

43

da stazione con prese di corrente dedicate (secondo

norma CEI EN 62196-1 e 2) fino a 63 A 400 V e

circuito pilota di controllo (e sistema PWM) integrato.

I veicoli sprovvisti di comunicazione con la stazione

possono caricarsi in modo 3 semplificato

limitatamente a 16A 230V.


Sistemi di ricarica

Modo 4

44

(ricarica in Corrente continua) da stazione con

connettore dedicato (p.e. CHADEMO) con

corrente fino a 125 A 400 V c.c.

Teoricamente 50kW.

Al distributore di benzina50 31

2,5600

MJl

l MWs

=


Sistemi di ricarica – Prese Standardizzate 45


Sistemi di ricarica – Prese Standardizzate 46


Indice



3. Modelli di simulazione per il dimensionamento del powertrain/accumulo




1. Fasi della ricerca

2. Allestimento veicolo prototipale

3. Verifica prestazioni/consumi

47


48

• Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un

sistema di trazione elettrico alimentato da batteria

• Possibili modalità della propulsione risultante:

� Funzionamento in puro endotermico con piene prestazioni.

� Funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero emissioni (vel. Max. 75 km/h autonomia 30 km ciclo ECE urbano).

� Funzionamento bimodale: il motore endotermico funziona al minimo alimentando tutti i sistemi ausiliari (condizionamento, luci, ecc.) mentre la trazione è delegata al motore elettrico con le prestazioni del punto precedente.

� Funzionamento ibrido parallelo (entrambi i motori attivi) con riduzione consumi ed emissioni e recupero di energia in frenatura operata anche in elettrico. In questa modalità è anche possibile, a prestazioni di marcia complessive ridotte, ricaricare la batteria.

1. Obiettivi della ricerca


49

• Individuazione del veicolo più adatto per l’allestimento di un veicolo bimodale prototipale.

• Implementazione modello energetico per il dimensionamento dei componenti elettrici e per la verifica delle prestazioni.

• Reperimento componentistica sul mercato e realizzazione oggetti ad hoc (batterie, trasmissione, elettronica di controllo etc, etc. ).

• Studio e progettazione sistema di controllo e coordinamentodel propulsore ibrido parallelo risultante e gestione energetica di bordo.

• Studio e progettazione della trasmissione meccanica per l’azionamento elettrico da integrare con il gruppo cambio-trasmissione esistente.

2. Fasi della ricerca


50

Si sono analizzate le seguenti vetture FIAT

Panda 1.1

Automobile molto leggera

Mancanza di spazio libero nel cofano motore per l’aggiunta delle componenti necessarie alla trazione elettrica (motore elettrico, trasmissione, ecc).

Idea 1.2

Sufficiente spazio libero nel cofano motore

Il peso più elevato rispetto alle altre, è una condizione sfavorevole all’obbiettivo da raggiungere.

Grande Punto 1.2

Miglior compromesso fra peso e spazio libero nel cofano motore.

2. Fasi della ricerca - Individuazione veicolo


512. Fasi della ricerca - Individuazione veicolo

Grande Punto 1.2

Si è scelto di utilizzare questa vettura perché rappresenta il miglior compromesso fra peso e spazio libero nel cofano motore.


522. Fasi della ricerca - Modello energetico

MODELLO GLOBALE

Batterie

Azionamento elettrico

Modello veicolo

Modello Trasmissione



* Dalle simulazioni basate sul ciclo ECE

urbano si ricavano le informazioni

relative ai dati di dimensionamento

dell’azionamento elettrico:

Velocità, coppia, potenza etc. etc.

Il ciclo ECE corrisponde alla situazione

di giuda in che si può riscontrare in città.

Esso è normalizzato ed utilizzato dalle case

automobilistiche per il calcolo dei consumi.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55Ciclo ECE

Time [s]

Velo

cità [

km

/h]

Riferimento

Effettiva

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

-100

-50

0

50

100

Ciclo ECE

Time [s]

Coppia

ero

gata

dal m

oto

re [

Nm

]

Teff

= 31.5 Nm

Erogata

Max Erogabile



Motore

15 kW

Motore

12 kW

Motore

10 kW

10,0 0,00 0,00 0,00

12,0 11,83 9,33 10,67

14,0 23,57 18,60 21,25

16,0 35,18 27,79 31,74

18,0 46,62 36,87 41,77

20,0 56,65 45,81 48,79

22,0 63,64 54,08 53,89

24,0 68,91 60,19 57,89

26,0 70,00 64,92 61,16

28,0 70,00 68,76 63,92

30,0 70,00 69,62 66,27

32,0 70,00 70,00 68,31

34,0 70,00 70,00 69,69

36,0 70,00 70,00 70,00

38,0 70,00 70,00 70,00

Velocità [km/h]

Tempi [s]

5 10 15 20 25 30 35 400

10

20

30

40

50

60

70

Lancio a 70 km/h

Time [s]

Velo

cità [

km

/h]

Rif

12 kW

15 kW

10 kW

• Si sono verificate le prestazioni di accelerazione con 3 possibili motorizzazioni.

• Un azionamento elettrico da 10 kW è sufficiente per le prestazioni richieste.



Verificati gli ingombri motore 10 kW a 12000 rpm con l’ausilio di modelli in cartone aventi le dimensioni dei componenti elettrici da aggiungere.

La posizione scelta è anteriormente alla scatola del cambio


562. Fasi della ricerca - Trasm. Meccanica

Acquisizione mediante scanner ottico della forma del frontale vettura



Energia per 30 km con fr. Elettrica

Energia per 30 km con fr. Meccanica

9,6tot

E kWh=

10,4totE kWh=

Dimensionamento batterie• Dalle simulazioni si sono calcolati i

valori di energia e potenza delle

batterie necessari per garantire le

prestazioni.

• Si sono considerati 3kW di potenza

per tutti i servizi ausiliari

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Time [s]

Pote

nza e

rogata

dalle

batt

erie [

kW

]Ciclo ECE

Pmax

= 24.9 kW

Pmax

= 27.9 kW

Senza aux

Con aux

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Ciclo ECE

Time [s]

Energ

ia e

rogata

dalle

batt

erie [

kW

h]

Efr-elet

= 320 Wh/km

Efr-mecc

= 349 Wh/km

Fren Elettrica

Fren Meccanica


582. Fasi della ricerca - Componentistica

BatterieSoluzione Litio-Ioni - Thunder Sky-

� Realizzazione del pacco di batterie con elettronica di controllo e di ricarica speciale

� Prezzo e tempistica di consegna accettabili

� Peso e ingombro accettabile (circa 100 kg)

Zebra Mes-Dea

� Caricabatteria compreso e adatto alla batteria

� Peso al limite dell’accettabilità 180 kg, volume 800x530x290mm

� Batteria standard di immediata consegna

Soluzione Litio - Ioni Saft

� Costo elevato (decine di migliaia di euro)

� Fornitura di pacco batterie formato di elettronica e carica batterie

� Tempistica di sviluppo e fornitura incompatibile con il 31-10-06’

� Peso (minore di 80 Kg) e ingombri ottimali

Soluzione Piombo

� Pesi e ingombri elevati (300 kg)

� Costi ridotti, Carica Batterie Standard da adattare semplicemente

Soluzione Ni-Cd Saft

� Prezzi abbordabili (migliaia di euro)

� Pesi e ingombri elevati (220 kg)



Numero di celle 60

Tensione Nominale [V] 216

Massa totale elementi [kg] 96

Volume totale elementi [dm^3] 61

Energia totale disponibile [kWh] 11

Potenza totale teorica [kW] 32

Dopo un’attenta valutazione, il

pacco batteria offerto dalla

Thunder Sky è risultato il più

leggero fra quelli disponibili

entro i limiti temporali del

progetto.



Pompe, radiatori, ventole, …



Schema generale

impianto elettrico


622. Fasi della ricerca - Controllo e Coordinam.


63

Si è deciso di inserirsi sull’albero secondario del cambio all’altezza

delle ruote dentate della 5^ marcia dopo la rimozione di esse e del

rispettivo selettore.




• Trasmissione a ruote dentate: è risultata incompatibile con i tempi realizzativi a disposizione.

• Trasmissione a catena: non garantisce il funzionamento ai massimi regimi di rotazione del motore elettrico.

• Trasmissione a cinghia trapezoidale: incapace di trasmettere la coppia erogata dal motore elettrico.

• Trasmissione a cinghia dentata: è stata scelta perché è l’unica che garantisce le prestazioni desiderate

TRASMISSIONE



La fase progettuale è stata supportata da una modellazione 3D per una migliore valutazione degli ingombri e delle difficoltà realizzative.


662. Prototipo - Installazione Trasmissione

Verifica montaggio al banco



Installazione sul cambio

dell’automobile.


68

Il gruppo motore

elettrico – trasmissione consente

il flusso bi-direzionale di potenza.



693. Prototipo - Impianto elettrico

Batterie al litio

DC/DC

converter

TeleruttoreInverter

Relé


703. Prototipo - Messa a punto

Alcuni parametri dell’inverter sono

resi gestibili tramite software di

configurazione.

Stato azionamento

(ingressi e uscite logiche)


713. Prototipo – Interfaccia impianto esistente

Impianto frenante:

Scollegato definitivamente il master cilynder. Utilizzo depressore elettrico.

Impianto ABS:

Il sistema entra in funzione quando la tensione della batteria è pari a 13,5 V (batteria in carica).

Motore endotermico:

Nel caso debba essere spento si toglie l’alimentazione necessaria all’attuazione e l’afflusso di combustibile.

Ricarica batteria 12 V:

Gestita tramite DC/DC converter – alternatore.

Tutti i sistemi di bordo (freni, abs, servosterzo, …) devono

funzionare anche a motore endotermico spento.



Servosterzo (Guida elettrica).

L’abilitazione all’assorbimento di potenza viene fornita dal Body Computer su rete CAN solamente se il motore comunica, sempre su rete CAN, il corretto funzionamento.

CAN: Controller Area Network

CAN è un bus di comunicazione seriale, progettato per applicazioni real-time e nato in ambito veicolare (BOSCH 1986). Consente la comunicazione tra controllori, sensori ed attuatori con velocità fino a 1Mbit/sec.

• bassi costi di progettazione e implementazione;

• operatività in condizioni critiche (veicolari e industriali);

• facilità di configurazione e modifica;

• rilevamento automatico degli errori e autodiagnostica;

• si usa un doppino differenziale a due conduttori detti CAN L e CAN H;

• per la correzione degli errori, ogni messaggio viene ritrasmesso fino a che tutti i riceventi (e quindi il bus) non segnalano alcun errore.



CAN: Controller Area NetworkOgni nodo “ascolta” tutto il traffico e filtra, elaborandoli, solo i messaggi di suo

interesse.

www.can-cia.org


744. Verifica prestazioni

La vettura è stata provata su strada all’interno del piazzale del Politecnico.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Velo

cità [

km

/h]

Time [s]

Prestazioni veicolo

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Spazio

[km

]


754. Verifica prestazioni - Misure elettriche

0 100 200 300 400 500 600-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

Velo

cità [

km

/h]

Time [s]

0 100 200 300 400 500 6000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Spazio

[km

]

Prestazioni veicolo

0 100 200 300 400 500 600-50

0

50

100

150

200

250

Time [s]

Grandezze batteria

Ieff-Batt

= 31.99 A

Vbatt

[V]

Ibatt

[A]

Idc/dc

[A]

0 100 200 300 400 500 60047

48

49

50

51

52

53

54

55

Time [s]

Tem

pera

ture

[°C

]

Temperature

Thmot

[°C]

Thinv

[°C]

0 100 200 300 400 500 600-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

Time [s]

Pote

nza [

kW

]

Bilancio Potenze Inverter

Pin

Pout

Paux


76

Exp

eri

me

nta

l d

ata

Sim

ula

ted

da

ta

• The comparison between experimental and simulated electrical speed drive cycle is showed: the driver model is validated (full electric mode)

Battery Model Validation

• A suburban drive cycle has been adopted in order to validate electrical component models in their full operating range.

4. Experimental validation of the mode


77

Motor current Is Motor voltage Vs

• The suburban drive cycle has been adopted in order to validate induction motor energetic model too.

• It has also been performed a validation of the inverter efficiency, with a particular attention referred to the losses due to semiconductor power electronic components.

4. Experimental validation of the model


78


Stato Attuale del Veicolo 79


80


81

Grazie per l’attenzione

Ing. Davide Tarsitano, Ph.D.Dipartimento di Meccanica

Politecnico di Milano

Via G. La Masa 1, 20156 Milano

Tel. 02 2399 8378 - Fax 02 2399 8492

e-mail [email protected]

ldb republicar eletric_01

Small Business & Entrepreneurship

davide tarsitano criteri

davide tarsitano indice

electric motor power

kit ing

electric motors

ice hybrid vehicle

board electric energy

conventional hybrid