Enhanced Hybrid Power Train Sviluppo del Progetto e caratteristiche tecniche del prototipo - F. L. Mapelli, D. Tarsitano, F. Cheli
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Enhanced Hybrid Power Train Sviluppo del Progetto e caratteristiche tecniche del prototipo F. L. Mapelli, D. Tarsitano, F. Cheli
2
Kit di Ibridizzazione Bimodale per Veicoli
Commerciali:
• Trasformazione di veicolo commerciale convenzionale in ibrido
bimodale (Trazione Endotermica e Trazione Elettrica)
• Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un sistema di
trazione elettrico alimentato da batteria.
• Presenza di un carica batterie a bordo di potenza compatibile con la
rete domestica (Plug-In).
• Recupero dell’energia cinetica in frenata.
• Possibili modalità della propulsione risultante:
funzionamento in puro endotermico come veicolo originale.
funzionamento in puro elettrico con buone prestazioni e zero
emissioni:
funzionamento in modalità ibrida con ricarica delle batterie in
marcia:
3 Veicolo commerciale Ibrido: aspetti del kit innovativo • La categoria del veicolo commerciale è fino a 35 quintali • Veicolo a trazione posteriore • Prototipo basato su VolksWagen Crafter 80kW diesel Aspetti innovativi : • Prestazioni di accelerazione e velocità massima tali da rendere agevole la guida nel traffico cittadino grazie ad un “innovativo” gruppo motore e azionamento elettrico. • Pendenze massima superabile • Ricarica batteria in marcia • Sistema di monitoring di bordo con display touch screen
Il veicolo e la trasformazione 4
Elementi Aggiuntivi
5 Fasi del progetto • Implementazione del modello matematico energetico per il dimensionamento dei componenti elettrici e per l’analisi delle delle prestazioni. • Raccolta di normative • Progettazione e dimensionamento del Power Train • Progettazione impianto e dispositivi elettronici • Allestimento sperimentale e primi test • Realizzazione componenti ad hoc e impianto elettrico • Installazione finale
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Modello Matematico del Veicolo
Batterie
Azionamento
elettrico
Modello
Trasmissione
Modello
veicolo
MODELLO
Complessivo
7
Fasi della ricerca - Modello energetico
80 2.5
velocità rif.
70 velocità veicolo
2
60
50 1.5
Accelerazione
VelocitaKmh
40
1
30
20 0.5
10
0
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tempo [s]
Tempo [s]
• Dai dati di simulazione si dimensiona l’azionamento elettrico in grado di garantire le
prestazioni richieste.
80
200
70
180
160 60
140
50
PotenzaBatteria
120
CoppiaMotore
40
100
80 30
60
20
40
10
20
0 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tempo [s] Tempo [s]
8
Calcoli Consumi in modalità puro elettrico
Ciclo o Consumo
velocità Pendenza Carico (kWh/km) Autonomia (km)
75 km/h 0 100% 0,48 32,7
75 km/h 0 50% 0,45 34,8
75 km/h 0 vuoto 0,38 41,3
50 km/h 5% 100% 0,9 17,4
50 km/h 10% 100% 1 15,7
ciclo urbano ECE 0% 100% 0,32 49,0
Ciclo città di Milano 0% 100% 0,51 30,7
Ciclo città di Milano 0% vuoto 0,38 41,3
Dai dati di simulazione si dimensiona la taglia della batteria al litio in energia e potenza
9
Progettazione del Power Train
Si sono ipotizzate tre soluzioni di motore asincrono controllato mediante
inverter trifase con controllo vettoriale ad orientamento di campo.
1. Motore a bassa inerzia con rapporto lunghezza/diametro molto
elevata ad alto numero di giri con raffreddamento ad acqua che
prevede un intervento sulla meccanica
2. Motore a cassa quadra di rapporto lunghezza/diametro molto basso
con raffreddamento a che prevede un intervento sulla meccanica
3. Motore coppia a cassa quadra di rapporto lunghezza/diametro basso
con raffreddamento ad aria a che prevede un intervento ridotto sulla
meccanica
Su prototipo attualmente implementata la soluzione 2
10
I componenti per la trasformazione
Carica Batteria
Impianto di
Battery
Raffreddamento
Managment Impianto
System Elettrico
DISPLAY
CONTROLLO11
La progettazione e i Partner
Il Politecnico di Milano ha partecipato e coordinato tutte le attività tecniche e di
progettazione e sperimentazione
Motore Elettrico VEB-Polimi
Meccanica VEB
DC/DC converter VEB
Batteria al Litio NRG-Polimi
Impianto elettrico ELCOM-Polimi
Display e Contenitore Balance Systems-Polimi
Scheda Controllo Balance Systems-Polimi
Analisi Normativa FAST-Polimi
Evento e Comunicazione FAST
Allestimento: Polimi/Veb
Misure e Test Polimi
Collaborazioni esterne al gruppo:
Inverter fornito da EVE12 Primo Allestimento per test preliminari Motore soluzione 2 e batteria provvisoria al piombo
13
Campagne di misura Strada
Prova Accelerazione iniziale
Dati Raccolti prestazioni In
elettrico
• Da 0 36 km/h in 5 sec
• velocità massima 65 km/h in
elettrico
• consumo reale in elettrico
ciclo cittadino 0.48 kw/km 35
km autonomia con batterie
litio
Ciclo cittadino • Potenza Max motore elettrico
60 kWProgettazione e Realizzazione Componenti 14 •Display touch screen, informazioni utente e aiuto per la gestione del mezzo • Predisposto per la raccolta dati di utilizzo e monitoring in remoto (Gps, Gsm, Usb dati) • Dati su: consumi, autonomia, potenze, V, I, diagnostica
15 Progettazione e Realizzazione Componenti • Scheda Vehicle Control Unit per gestire il veicolo le informazioni e mettere in comunicazione l’elettronica dell’impianto aggiunto con l’elettronica di bordo originale del veicolo. • I/O digitali analogici, Relè, comunicazione CAN automotive
16 Allestimento Finale
17 Conclusioni • Il progetto ha mostrato la fattibilità di una trasformazione per veicolo commerciale con caratteristiche innovative. • L’attività si è svolta in 10 mesi. • Si sono sviluppati componenti al passo con la tecnologia grazie all’insieme delle competenze delle aziende ed enti del gruppo. • Il kit è estendibile ad altri veicoli della medesima categoria. • Il sistema realizzato è molto flessibile e si presta per differenti applicazioni con margini di miglioramento e ottimizzazione.
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Sviluppi Futuri
• Ottimizzazione automatismi veicolo
• Ottimizzazione algoritmi gestione energia di
bordo (recupero energia cinetica e ricarica in
marcia)
• Sperimentazione motore soluzione 3
• Campagna di misura su strada e raccolta dati
• Ottimizzazioni kit
• Analisi per omologazione
• Ricarica rapida
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