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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

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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:

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