facoltÀ di ingegneria - lucapiancastelli.ing.unibo.it internet/catalogo tesi... · [ max] [ max]*...
TRANSCRIPT
U n i v e r s i t à d e g l i S t u d i d i B o l o g n a
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno Tecnico Industriale
STUDIO DI MASSIMA DEL “POWERTRAIN”
DI UNA MICROVETTURA A PROPULSIONE IBRIDA
Relatore
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Dott. Ing. Luca Piancastelli
Tesi di:
Giacomo Corcella
OBIETTIVO DELLA TESI
Progettare modelli matematici che consentano
di studiare le prestazioni di una
MICROVETTURA IBRIDA
adottando varie possibili soluzioni nella trasmissione
di coppia e potenza dai motori termico
ed elettrico alle ruote
PROGRAMMA UTILIZZATO: MATHEMATICA 5.0
SVILUPPO DEL LAVORO
Modello della microvettura di partenza:
Riferimento per lo sviluppo dei modelli successivi
I Modello IBRIDO: 1CVT
II Modello IBRIDO: 2 CVT
Motore Termico
Motore Elettrico
III Modello IBRIDO: Con Cambio 4 Rapporti
Motore Termico
Motore Elettrico
al differenziale
Motore Elettrico
I marcia fino 31 km/h
Motore Termico
marce residue
IV Modello IBRIDO: Con Cambio 6 RapportiEntrambi i motori
dall’ inizio
Lynch LEM-200
Motore a magneti
permanenti a 72V
• Grande potenza specifica
• Semplicità del sistema di controllo
• Potenza massima limitata a 8 kW
• Utilizzato in svariate applicazioni di trazione
• η = 92%
Il motore elettrico Il controller
Curtis 1209B
• 48-72 Volt
• Massima
corrente per 1h
175 A
• η = 95%
• 4Kg
Il motore termico
con CVT a 2 marce
Aprilia Atlantic
Dati tecnici
• Cilindrata 180.8 cc
• Coppia massima
16.9 Nm a 6500 giri/min
• Potenza massima limitata a 10 kW
• Raffreddamento ad acqua
• Rapporti di riduzione del CVT di partenza 2.7:1 - 0.88:1
• η CVT = 85%
ACCUMULATORI SCELTI
Batterie Piombo – acido
FGH2183 della FIAMM
• Costo ridotto
• Possibilità di ricarica parziale
•Peso totale 80 kg
• Dimensioni minime per corrente di scarica di 150 A (1.8 kWh)
• Alta densità energetica
(150 Wh/kg)
• Tempi di ricarica brevi
• 1950 elementi
• Peso totale 40 kg
• Dimensioni minime per corrente di scarica di 150 A ( 7.2 kWh)
Batterie Li-ion
ICP653047AS della Maxell
Energia necessaria per
garantire una autonomia
sufficiente è 6 kWh, quindi
nella soluzione con batterie
al litio bisognerà utilizzare
un ultracapacitore che
fornisca 25 A per arrivare
ai 150 A
MODELLO MATEMATICO
• Modello a parametri concentrati
• Si considerano le sospensioni rigide
• Modellazione accurata dell’erogazione della
potenza elettrica e termica
• Modello resistenza attrito ( parametri ottimizzati in
funzione delle curve sperimentali )
• Modello resistenza aerodinamica ( parametri
ottimizzati in funzione delle curve sperimentali )
2*)*()(* velbPnkiroPnFresis
Pn = componente peso veicolo normale al terreno
ro = coeff. resistenza al rotolamento
k = coeff. di aumento resistenza rotolamento
pneumatico
i = tangente della pendenza
b = coeff. aerodinamico
D
CVTMT D
CVTME
BATTERIE
SCHEMA SEMPLIFICATO II MODELLO: DOPPIO CVT
RETROTRENO AVANTRENO
• D = Differenziale
• CVT = Trasmissione a variazione continua
• MT = Motore termico
• ME = Motore elettrico
D
CVTMT D
CVTME
BATTERIE
SCHEMA SEMPLIFICATO II MODELLO: DOPPIO CVT
Primo CVT: I e II marcia trazione elettrica
Secondo CVT: III e IV marcia trazione motore termico
5.142
max][
*max][min
rpmveliceCoppiamotr
RruotevelFresis 44.10min
14.17max
• Velocità massima -> rapporto minimo -> Equilibrio coppie motrice e resistente
• Velocità minima-> rapporto massimo-> Pendenza superabile in partenza
Pendenza superabile = 16.5%
• Le 2 marce intermedie vanno ottimizzate per tentativi (exhaustive search)
54.143
060min*
615.1*6.3max*max
rpmvelvel
20 40 60 80
100
200
300
400
500
CURVE CALCOLATE COL II MODELLO (2CVT)
In questo modello i due motori non
funzionano insieme. L’elettrico è attivo
in partenza fino alla velocità di 36.5 km/h
poi si attiva il termico fino alla velocità di
77 km/h.
Coppia
alle
ruote
(Nm)
velocità (km/h)
20 40 60 80
2000
4000
6000
8000
velocità (km/h)
rpm
5 10 15 20 25 30 35
1000
2000
3000
4000
5000
velocità (km/h)
rpm
Diagramma caratteristico del CVT Elettrico
Diagramma caratteristico del CVT Termico
CURVE CALCOLATE COL II MODELLO (2 CVT)
Con questa soluzione la massima velocità
raggiungibile è 77 km/h come si osserva
dal diagramma delle prestazioni t
(s)
velocità (km/h)Curva del consumo istantaneo del motore termico
g/CVh
rpm
%carico
Facendo compiere alla microvettura
il ciclo CEE combinato si ottengono
con questa soluzione i seguenti consumi:
Consumo Termico = 158 g di benzina
Consumo Elettrico = 113 Wh
20 40 60
10
20
30
40
50
60
SCHEMA SEMPLIFICATO III MODELLO: CAMBIO 4 RAPPORTI
DC
F
M
NBFC
MT
MECAMPANA
FRIZIONE
AVANTRENO• D = Differenziale
• C = Cambio a 4 rapporti
• F = Frizione
• MT = Motore Termico
• FC = Frizione centrifuga
• NB = No back
• ME = Motore elettrico
• M = Moltiplicatore
I marcia Motore Elettrico, le restanti 3 Motore Termico
CURVE CALCOLATE COL III MODELLO (4 RAPPORTI)
Diagramma caratteristico di cambiata
velocità (km/h)
rpm
20 40 60 80
2000
4000
6000
8000
10000
I rapporti massimo e minimo sono
calcolati nello stesso modo del
caso precedente
44.10min 14.17max
3 minmax
Il diagramma di cambiata è stato ricavato
con le seguenti equazioni, fissando la vmax:
54.14min*2 2
32.12min*3 )/(23.58*12 hkmvv
)/(37.49max
13
hkmv
v
)/(68.68*23 hkmvv
Pendenza superabile in partenza = 20%
)/(80max hkmv
CURVE CALCOLATE COL III MODELLO (4 RAPPORTI)
20 40 60 80
100
200
300
400
500Anche in questo caso, come
nel precedente, i due motori non
lavorano insieme. L’elettrico viene
usato alla partenza fino a 31 km/h,
poi si attiva il termico fino
alla massima velocità pari a 80 km/h.
Curva delle prestazioni del modello con 4 rapporti
t
(s)
velocità (km/h)
velocità (km/h)
Coppia
alle
ruote
(Nm)
20 40 60 80
10
20
30
40Facciamo compiere il ciclo CEE combinato
alla microvettura con questa soluzione
di trasmissione e otteniamo i seguenti consumi:
Consumo Termico = 205 g di benzina
Consumo Elettrico = 66 Wh
SCHEMA SEMPLIFICATO IV MODELLO: CAMBIO 6 RAPPORTI
DC
F
M
NBFC
MT
MECAMPANA
FRIZIONE
AVANTRENO
• D = Differenziale
• C = Cambio a 6 rapporti
• F = Frizione
• MT = Motore Termico
• FC = Frizione centrifuga
• NB = No back
• ME = Motore elettrico
• M = Moltiplicatore
CURVE CALCOLATE COL IV MODELLO (6 RAPPORTI)
20 40 60 80
2000
4000
6000
8000
10000
Diagramma caratteristico di cambiata
rpm
velocità (km/h)
Per ricavare il diagramma di cambiata si è
fissata la vmax, calcolato il primo rapporto
di riduzione e calcolata la vmin.
)/(80max hkmv
CoppiaSpunto = 600 NmCoppiaMotrice = 12 NmRC = Rolling Circunference = 1.615rpmpotmax = 8500 = rpm in corrispondenzadella potenza massima
)/(47.166.3*60max*
maxmin hkm
rpmpotRCv
5 minmax vv
Calcolato alfa si ricavano tutti
i valori delle velocità e dei
rapporti corrispondenti come
visto in precedenza.
50max iceCoppiaMotr
toCoppiaSpun
CURVE CALCOLATE COL IV MODELLO (6 RAPPORTI)
Con questa soluzione i due motori
lavorano insieme fin dall’inizio,
quindi avremo in partenza una coppia
molto elevata.
20 40 60 80
500
1000
1500
2000
2500
3000Coppia
alle
ruote
(Nm)
velocità (km/h)
20 40 60 80
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
Curva delle prestazioni del modello con 6 rapporti
t
(s)
velocità (km/h)
Facciamo compiere il ciclo CEE combinato
alla microvettura con questa soluzione
di trasmissione e otteniamo i seguenti consumi:
Consumo Termico = 217 g di benzina
Consumo Elettrico = 151 Wh
Pendenza superabile in partenza = 87%
CONDIZIONI DI RECOVERY• Condizioni di recovery sono quelle situazioni in cui uno dei due motori
non funziona;
• Si sono studiate tali condizioni per tutti i casi precedenti, qui presentiamo
i risultati del modello più performante, quello con cambio 6 rapporti;
FUNZIONAMENTO SOLO ELETTRICO FUNZIONAMENTO SOLO TERMICO
10 20 30 40 50 60 70
10
20
30
40
Curva delle prestazioni Curva delle prestazioni
t
(s)
velocità (km/h)20 40 60 80
10
20
30
40
50
t
(s)
velocità (km/h)
)/(74max hkmv
Pendenza superabile in partenza = 58%
)/(79max hkmv
Pendenza superabile in partenza = 23%
CONCLUSIONI
Confrontando i risultati ottenuti si è constatato che:
• la soluzione con 2 CVT ha le prestazioni più scadenti, però è
caratterizzata dai consumi del termico più bassi e da comfort di guida
visto che le microvetture sono usate quasi esclusivamente in città;
• la soluzione con cambio 4 rapporti ha prestazioni e consumi
intermedi rispetto agli altri due modelli;
• la soluzione con cambio a 6 rapporti ha le prestazioni migliori,
considerando anche che la velocità massima è stata limitata 80 km/h
per eseguire dei confronti fra i modelli ma che in realtà potrebbe
superare i 110 km/h. I consumi sono i più alti sia per il termico che
per l’elettrico e rispetto al caso con 2 CVT si perde in comfort.
Per rendere ottimale questa soluzione basterebbe un piccolo sforzo
tecnologico, introducendo un cambio selespeed.
U n i v e r s i t à d e g l i S t u d i d i B o l o g n a
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Disegno Tecnico Industriale
STUDIO DI MASSIMA DEL “POWERTRAIN”
DI UNA MICROVETTURA A PROPULSIONE IBRIDA
Relatore
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori
Prof. Ing. Gianni Caligiana
Dott. Ing. Luca Piancastelli
Tesi di:
Giacomo Corcella