Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 20: Sistemi di trazione innovativi, veicoli
elettrici
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti
• Il powertrain elettrico ed i suoi vantaggi
• Il sistema di accumulo gioia e dolori dei veicoli elettrici
– Consente il recupero di energia ed lo spostamento ZEV
– È la tecnologia meno matura nel powertrain elettrico e quello
che da problemi di: ingombro, peso, affidabilità, impatto
ambientale nella costruzione e nello smaltimento.
• Le applicazioni mature per veicoli elettrici
• Le applicazioni dei veicoli elettrici ed iniziative per
diffonderli
• Le prospettive per i veicoli elettrici
Obiettivi
• Familiarizzare con il powertrain del veicolo elettrico
• Conoscere i diversi possibili sistemi di accumulo
• Confrontare le densità energetiche dei diversi sistemi di accumulo
con quelle del combustibile
• Conoscere i principali vantaggi del veicolo elettrico:
– Eliminare le emissioni locali
– Ha potenzialità di ridurre i consumi
• Conoscere i problemi principali del veicolo elettrico:
– Autonomia
– Tempi di ricarica
• Comprendere che un cambio di mentalità potrebbe essere
necessario
Schema di un Powertrain “Elettrico”
Sistema di
accumulo
energetico
Sistema di
regolazione
Motore
elettrico
Differenziale
I vantaggi del veicolo elettrico (1/2)
• Funziona come ZEV (Zero Emission Vehicle)
– Risolverebbe il problema dell'inquinamento nei centri
urbani (inquinamento locale)
– A livello “globale” la riduzione delle emissioni (in
particolare di CO2) dipende dalle modalità di
produzione dell’energia elettrica
• Avendo un sistema di trazione invertibile può
recuperare l’energia di frenatura diminuendo i
consumi
I vantaggi del veicolo elettrico (2/2)
• Costruttivamente garantisce maggiore
flessibilità al progettista
– l’assenza di connessioni meccaniche tra batterie,
sistema di regolazione e motore garantisce la
possibilità di disporre ogni parte dove c’è posto
– si può dividere la potenza su più motori dedicati
ognuno ad una ruota eliminando gli ingombri della
trasmissione e potendo quindi abbassare il pianale
– si può arrivare ad integrare il motore nelle ruote che
consente la sterzabilità totale di ogni ruota
Sistemi di accumulo di energia
• Principio fisico dell’accumulo
–
–
–
–
–
Elettrochimici: accumulatori elettrici
Elastici: molle, gas compressi, accumulatori idraulici
Cinetici: volani
Magnetodinamici
Elettrostatici: supercondensatori
• Due parametri per valutare tali sistemi:
– Energia specifica (Wh/kg): capacità assoluta dell’unità di
massa di accogliere o restituire energia
– Potenza specifica (W/kg): capacità istantanea dell’unità
di massa di accogliere o restituire energia
Gli accumulatori elettrochimici (1/4)
Accumulatori al piombo:
Maggiormente commercializzati
– Energia specifica: 30-35 Wh/kg
– Potenza specifica: 70-100 W/kg
– Vita: 500-1000 cicli
Gli accumulatori elettrochimici (2/4)
Accumulatori al Ni-Cd, Ni-Zn, Ni-Fe, Zn-Pb:
• Variamente testati in applicazioni pilota ma
commercializzati in piccoli numeri
– Energia specifica doppia rispetto agli accumulatori al
piombo
– Già in produzione
– Costa 6-10 volte più degli accumulatori al piombo
Gli accumulatori elettrochimici (3/4)
Accumulatori al ferro-aria, sodio-zolfo, litio-solfuri
metallici
• Sono stati variamente testati senza arrivare in
produzione
– Energia specifica tripla rispetto agli accumulatori al
piombo
– Lavorano a 300º C
– Richiedono contenitori termoisolanti e
apparecchiature di preriscaldo
Gli accumulatori elettrochimici (4/4)
Accumulatori al Litio:
• Sono gli accumulatori emergenti per
l’autotrazione
– Energia specifica 5 volte più alta del piombo
– Potenza specifica 20 volte più alta
– Già in produzione per cellulari, laptop ed altre
applicazioni
L’accumulo elastico
• Accumulatore oleodinamico
• Trasformazione di energia meccanica in energia di
pressione mediante l’utilizzo di macchine idrauliche
• Elevata potenza specifica (flessibilità nelle fasi di
accumulo e restituzione)
• Bassa energia specifica
L’accumulo inerziale/cinetico (1/2)
Accumulo di energia cinetica con volani:
dω s
 dω v

I v rc  Ts 
Is

dt
dt


In cui:
v = velocità angolare del volano (rad/s);
Iv = momento polare d’inerzia del volano (kgm2);
rc = rapporto al cambio (adim);
Ts = momento delle forze resistenti ridotto al secondario del cambio
(Nm);
s = velocità angolare del secondario (rad/s);
Is = inerzia del veicolo e delle parti rotanti ridotta al secondario (kgm2).
L’accumulo inerziale/cinetico (2/2)
• Energia specifica fino a 200 Wh/kg (fibre di
carbonio, boro e kevlar)
• Difficoltà:
– Riduzione di peso e dimensioni tramite elevati regimi
di rotazione (servono corazzature di sicurezza)
– Perdite di attrito: il volano deve ruotare sotto vuoto e
supportato da cuscinetti magnetici)
– Perdite e pesi aggiuntivi: servono doppi volani
controrotanti (evitano effetti giroscopici) e una frizione
Esempio di veicolo dotato di volani
L’accumulo magnetodinamico (1/2)
• Volani con la parte rotante
costituita da magneti annegati
in fibre di carbonio
• La cassa esterna è lo statore
di un motore elettrico
• Se lo statore fornisce potenza,
il rotore accelera
immagazzinando energia
cinetica, se richiede potenza il
rotore rallenta cedendo
l’energia cinetica
immagazzinata
L’accumulo magnetodinamico (2/2)
• Non avendo connessioni
meccaniche può essere
sospeso in una struttura
che gli consente di
ruotare su due assi
eliminando il momento
giroscopico
• Permangono difficoltà
costruttive dei volani
classici
I supercondensatori (1/2)
• Funzionano secondo il principio dei condensatori elettrici:
immagazzinano energia elettrica rimuovendo cariche
elettriche, tipicamente elettroni, da una superficie metallica
e depositandoli su un’altra affacciata. L’isolante fra le due
superfici impedisce che le cariche tornino a posto e
mantiene una differenza di potenziale tra i due elettrodi che
può essere sfruttato da un carico elettrico esterno.
I supercondensatori (2/2)
Confronto tra sistemi di accumulo
Sistemi di accumulo
Densità
energetica
[Wh/kg]
Densità di
Potenza
[W/kg]
Cicli di vita
75%
scarica
Disponibilità
commerciale
Accumulatore idraulico
0.8
104
107
discreta
Batterie al piombo
35
95
500
ottima
Batterie al
Ni-Cd
56
200
2000
buona
Betterie Li-ion
160
1800
1200
buona
Volano
200
104
107
prototipo
Supercapacitore
1 - 10
1000 – 10’000
108
buona
Combustibile (benzina
o diesel) + MCI
3800
Teoricamente
infinita
-
massima
La problematica ambientale del ciclo di vita
delle batterie (1/2)
Produzione
Riciclaggio
Utilizzo
Raccolta
La problematica ambientale del ciclo di vita
delle batterie (2/2)
Produzione
– Uso di sostanze chimiche
– Esposizione occupazionale
– Prevenzione dei rischi di
infortuni
– Salvaguardia ambientale
– Norme tecniche di prodotto
Utilizzo
– Immissione sul mercato
– Comunicazione al cliente
finale dell’obbligo di raccolta
differenziata
– Progettazione delle
apparecchiature che permetta
un facile accesso alle batterie
– Indicazione della presenza di
cadmio, mercurio e piombo
oltre i limiti previsti
Raccolta e riciclaggio
– Organizzazione, gestione e
finanziamento della raccolta
separata, il trattamento e il
riciclaggio dei rifiuti di pile e
accumulatori industriali, per
veicoli e portatili
Decreto legislativo 20 novembre 2008, n. 188
• Scopo
– Disciplinare l’immissione sul mercato delle pile e degli accumulatori
– Raccogliere, trattare, riciclare e smaltire i rifiuti di pile e accumulatori
• Campo di applicazione
– alle pile e agli accumulatori indipendentemente dalla forma, dal peso,
dal volume, dalla composizione materiale o dall'uso cui sono destinati
– ai relativi rifiuti
• Definizioni
– Pila o accumulatore: una fonte di energia elettrica ottenuta mediante
trasformazione diretta di energia chimica, costituita da uno o più
elementi primari (non ricaricabili) o costituita da uno o più elementi
secondari (ricaricabili)
Obblighi dei produttori di pile ed
accumulatori industriali e per veicoli
previste dal DL 188 (1/2)
• Immettere sul mercato solo pile e accumulatori
conformi
• Organizzare, gestire e finanziare la raccolta separata il
trattamento e il riciclaggio dei rifiuti di accumulatori
• Iscriversi al Registro nazionale dei soggetti tenuti al
finanziamento dei sistemi di gestione dei rifiuti di pile e
accumulatori
Obblighi dei produttori di pile ed
accumulatori industriali e per veicoli
previste dal DL 188 (2/2)
• Comunicazione dei dati relativi alle pile ed agli
accumulatori immessi sul mercato nazionale nell’anno
precedente
• Etichettatura delle pile e degli accumulatori
• Obbligo di partecipare al centro di coordinamento
Applicazioni mature per veicoli elettrici
• Minibus per i centri cittadini
– Percorrendo distanze ridotte
– Necessitano di depositi vicini per cambiare batterie a
metà giornata
– Hanno costi di esercizio per passeggero trasportato
tripli dei bus 12 m diesel convenzionali
• Muletti per la movimentazione delle merci nei
magazzini o a corto raggio
– Soprattutto per ambienti chiusi in cui i funi non sono
tollerati o per contenere il rumore
Considerazioni energetico-economiche che
frenano la diffusione dei veicoli elettrici
nelle flotte TPL (1/2)
• Un autobus su un percorso urbano ha:
– Potenza media necessaria 12-14 kW netti alle ruote
– Massimo il 20% di energia recuperabile (diminuzione di
consumo di carburante)
• Il miglioramento del servizio comporta l’aumento
velocità medie e quindi la diminuzione dell’energia
recuperabile
Considerazioni energetico-economiche che
frenano la diffusione dei veicoli elettrici
nelle flotte TPL (2/2)
• Anche recuperando il massimo dell’energia il
risparmio sul costo del servizio sarebbe inferiore al
5% del costo globale del servizio a fronte di un
considerevole aumento dei costi di gestione:
– Ogni bus può essere in servizio mezza giornata prima di
tornare in deposito a ricaricare o cambiare batterie
– Il deposito deve essere vicino alla linea per evitare che il
bus si scarichi nei trasferimenti