La motorizzazione ibrida
o la vettura a recupero d’energia
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ibrido o bastardo?
Motore termico
La motorisation hybride
Motore elettrico
(+ batteria!)
François Roby – UPPA - octobre 2004
C’è energia ed energia
●
Una unità: il joule (J)
●
≈ caduta di 1kg su 10 cm : unità piccola!
●
unità pratica: il watt-ora (Wh)
1Wh = 3600 J
●
1kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ
energia « ordinata » o non
potenziale,
cinetica,
elettrica...
La motorisation hybride
calore
François Roby – UPPA - octobre 2004
Energie ordinate
cinetica: Ec = mv2/2
1 tonnellata, 68 km/h : 50 Wh
potenziale: Ep = mgh
1 tonnellata, 18 m : 50 Wh
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
L’elettricità pure...
+
+
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
reversibilità
delle macchine elettriche
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
bisogni in energia?
●
accelerazione (aumento di Ec)
0 a 68 km/h, 1 tonnellata: 50 Wh
●
salita (aumento di Ep)
+18 m, 1 tonnellata: 50 Wh
●
Resistenza all’aria, agli attriti
Dipende molto dalla velocità
Solo aria, vettura costante, 68 km/h, 50 Wh : 1 km
130 km/h, 50 Wh : 274 m
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
bisogni negativi?
●
decelerazione (diminuzione di Ec)
68 a 0 km/h, 1 tonnellata : -50 Wh
●
discesa (diminuzione di Ep)
-18 m, 1 tonnellata : -50 Wh
●
attriti...
Non recuperabili!
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Recupero d’energia
}
Ec
Ep
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Motore termico
1 litre carburante ≈ 10 kWh
10 litri / 100 km (10 km/l): 1 km per kWh
o 50 m per 50 Wh
(5 litri / 100 km (20 Km/l): 100 m per 50 Wh)
rendimento ≈ 1/3 : 3 Wh termici
1 Wh lavoro meccanico
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Di male in peggio
Motore Mercedes benzina 1,8 l compresso
potenza
0,33
0,27
0,16
coppia
regime
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Cambio tradizionale
●
frizione / convertitore idraulico
●
Numero fisso di rapporti (eccetto CVT)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Diagramma di funzionamento
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ricapitolando
+
Utilizzare la zona di rendimento massimo
Potenza moderata
La motorisation hybride
Scelta libera di
regime
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ingredienti:
●
Un motore termico non troppo potente
●
Un motore/generatore elettrico
●
Una batteria per immagazzinare
●
Un cambio a variazione continua
e… far funzionare l’insieme!
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Tipologia degli ibridi
batteria
Generatore
centralina
Motore/Gen.
elettrico
seriale
La motorisation hybride
Motore/Gen.
elettrico
Parallelo
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ibrido al quadrato
Motore/Gen.
elettrico
Treno
epicicloidale
batteria
Centralina
Motore/Gen.
elettrico
Serialeparallela
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Soluzioni odierne
●
●
Ibridazione «leggera» :
–
Si parte da una architettura esistente
–
Motore elettrico e batteria « discreti »
Ibridazione «pesante» :
–
Si parte da zero
–
Parte elettrica «non disinseribile»
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ibridazione leggera
Honda Insight (1999)
3 cilindri, benzina, 1000 cm3
50 kW (67ch) + 10 kW
batteria NiMH 144 V 6,5 Ah (936 Wh)
m < 900 kg, consumi: ≈ 3,5 l / 100km
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Impianto tecnico
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ibridazione pesante
Toyota Prius (modèle 1997, Japon)
4 cilindri, benzina (ciclo Miller), 1500 cm3
43 kW (58 ch) + 30 kW
batteria NiMH 288 V 6,5 Ah (1,87 kWh)
m ≈ 1240 kg, consumi: ≈ 5 l / 100km ?
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ciclo Atkinson
Ciclo Otto :
rapporto di espansione non
ottimizzato
●
perdite di pompaggio
all’immissione
●
Soluzione proposta da
James Atkinson (1882)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Ciclo Miller
Problemi del ciclo
Atkinson :
●
Attriti supplementari
●
Complessità meccanica
Soluzione proposta da
Ralph Miller (USA)
negli anni 1940
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Come funziona?
●
●
●
Nessun cambio
Nessuna frizione o
convertitore idraulico
Non uno, ma due motori elettrici
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Principio del
« Power Split Device »
Motore
generatore
Treno
epicicloidale
MG1
MG2
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Impianto meccanico
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Il cuore della trasmissione
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Tutto passa di là
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Treno epicicloidale
●
●
●
●
Già presente nel cambio automatico
tradizionale
Matematicamente paragonabile ad un
differenziale
Non è una «vera» trasmissione a variazione
continua!
Necessita di due motori elettrici di cui uno
grande (con tanta coppia)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Trasmissione continua?
●
Definizione di un rapporto di trasmissione?
–
Rapporto di velocità d’entrata / d’uscita
–
Rapporto di coppia d’uscita / d’entrata
Principio di leva
●
problema:
–
Tre alberi, dove sono le entrate e le uscite?
–
Rapporto di coppia costante
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Forza e coppia
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Cliccadromo interattivo
Approfittiamo del lavoro dei altri...
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Una invenzione di Shadok?
Trasmissione ad una velocità a
presa costante
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Le diverse modalità della trasmissione
Riscaldamento o
ricarica all’arresto
guida
«normale»
Retromarcia
(sempre elettrico)
Modalità
elettrico
La motorisation hybride
Modalità
«eretico»
François Roby – UPPA - octobre 2004
In pratica
●
●
Per il guidatore medio :
–
Pedale destro: accelerare
–
Pedale sinistro: frenare
Per i curiosi :
–
Fonte di esperienze e misurazioni
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Misurazioni
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Qualche risultato
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Trasmissione elettro-meccanica
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
E la batteria?
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Difficile da scaricare
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
... ma facile a ricaricare!
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Quanta energia recuperata ?
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Calcoli a tavolino
●
●
dislivello : h = 700 m
massa (vettura + benzina + conducente +...) :
1400 kg
●
g = 9,81 m.s-2
●
Ep = mgh = 9,6 MJ = 2,7 kWh
●
Ebatteria = 0,7 kWh
m=
Ebatteria / Ep = 0,26
ovvero 4 km gratuiti per 8 km di discesa
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Diagramma di funzionamento
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Bilancio consumi
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Bilancio inquinamento: benzina
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Bilancio inquinamento: diesel
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Paragone ingannevole
●
benzina : 34,7 MJ = 9,63 kWh per litro
●
diesel : 38,7 MJ = 10,74 kWh per litro (+12%)
en énergie,
5 litres d'essence = 4,5 litres de diesel
●
Rendimenti diversi (sebbene...)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Il taxi ideale?
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
certains le pensent
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Effetti secondari
●
Modalità elettrica se la velocità < 50 km/h :
Viva i 50 in città.
●
Frenata rigenerativa se (molto) moderata:
Invito alla anticipazione
●
Manovre in modalità elettrica:
Un vero piacere
Nessuna scusa per parcheggiare male
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Fuel Cell Marathon
(mai – juin 2004)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Dimostrazione per l’assurdo
GM HydroGen3
(www.gmeurope.com/marathon/)
Pila a combustibile non ibrida
«Ogni 150 chilometri al massimo dovevamo fermarci per
rifornirci, che ci forniva un’autocisterna: circa 75 litri di
idrogeno liquido, pesando meno di cinque chili, raffreddato a 253°C, è un pieno.»
«Usiamo esattamente 1 chilo di idrogeno per 100 chilometri
sfruttando le discese (l’auto non ha freno motore).»
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Confronto di energie
50 l/100 km d’idrogeno liquido (-253°C)
33 kWh / kg ; 50 l = 3,5 kg cioè 117 kWh
energia di liquefazione dell'idrogeno
Prius : 4,3 l/100 benzina cioè ≈ 42 kWh
... Senza contare il resto !
(energia di liquefazione dell'idrogeno)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
E l’idrogeno rinnovabile?
+
=
●
1 kW / m2 > 200 W / m2 mediamente
●
cellule: r = 20 % (!?) > 40 W / m2
●
●
1000 m2, 24 h > 960 kWh > 100 litri di
carburante tipo senza piombo 95
Distributore tipico: 10 000 litri / giorni...
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Futuro?
●
Generalizzare l’architettura ibrida
●
Diesel ibridi, inizialmente sui veicoli commerciali
●
Apparizione degli ibridi ricaricabili
●
●
Pila a combustibile «ammazzati nell’uovo» da
nuove batterie?
Obbiettivo a 5 anni: vettura Diesel, ibrida, 3
l/100 km, pulita dal particolato e NOx
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Evoluzione corta ma istruttiva
La più anziana delle ibride: Toyota Prius
modelli successivi:
1997 (NHW10), 2000 (NHW11), 2003 (NHW20)
NHW10
NHW11
NHW20
Pot. Mot. Termico(kW)
42
52
57
Pot. Mot. Elettrico(kW)
30
33
50
Capacità batteria (kWh)
1,9
1,8
1,3
Massa batteria (kg)
76
52
45
0 a 100 km/h (s)
14,5
13,4
10,9
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Non dimentichiamo l’essenziale…
L'automobile è indispensabile?
Difficile farne a meno ma:
●
●
●
L’uso abusivo nelle piccole distanze in citta (bicicletta,
rollers, bus... E a piedi!)
L’uso abusivo sulle lunghe distanze (treno molto più
efficace energeticamente)
Non credete che la tecnica risolvi tutti I problemi
(effetti perversi sempre presenti!)
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004
Grazie !
La motorisation hybride
François Roby – UPPA - octobre 2004