veicoli elettrici ed elettrico-ibridi , dimensionamenti
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Veicoli elettrici ed elettrico-ibridi , dimensionamenti . Ing. Giovanni Pede, Laboratorio Veicoli a Basso Impatto Ambientale 30 Aprile 2014. Schema dell’esercitazione. Dimensionamento di un veicolo a batteria Modellazione di una batteria e di un condensatore - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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 [email protected]
Centro Ricerche ENEA “Casaccia”, Via Anguillarese km. 1.3 - 00060 Anguillara Sabazia -
Roma, Italy