Università
degli
Studi di
Bologna
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Laboratorio CAD
Dimensionamento di massima di un sistema
di propulsione ibrida per una microvettura
Tesi di:
Fabio Monducci
Relatore
Prof. Ing. Luca Piancastelli
OBIETTIVI



Analisi approfondita della Toyota Prius per
adattare il sistema della sua trasmissione alla
microvettura ibrida in esame
Simulazione del funzionamento della Prius per
verificare la bontà dei dati in nostro possesso e
l’affidabilità del programma creato
Confronto con i dati ottenuti attraverso le
simulazioni precedenti per valutare eventuali
vantaggi
Programma utilizzato: MATHEMATICA 5
TECNICA IBRIDA
Questo tipo di tecnica si basa sulla
possibilità di sfruttare due o più sorgenti di
alimentazione.
Solitamente si ricorre ad un motore a
combustione interna, un motore elettrico e
all’ausilio delle batterie
SVANTAGGI
VANTAGGI

Rispetto delle normativa
sull’inquinamento e bassi
consumi

Necessità di avere le
batterie, che occupano
spazio e aumentano il peso

Possibilità di utilizzo solo
elettrico, utile in città

Aumento dei costi a causa
della presenza di due
propulsori

Recupero di energia in
frenata

Complesso sistema
elettronico di gestione
TOYOTA PRIUS
Questa è la prima auto ad alimentazione
ibrida che è riuscita ad affermarsi sul
mercato, grazie ad un prezzo accessibile e
al comfort di guida che offre in città, dove
c’è l’uso prevalente del motore elettrico.
COMPONENTI DEL SISTEMA
•
•
•
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•
•
Motore a combustione interna di 1.5l, 4 cilindri in linea
- Potenza max: 57 kW a 5000 rpm
- Coppia max: 115 Nm a 4000 rpm
- Consumo specifico: 278 g/kWh
Motore elettrico a magneti permanenti
- Tensione max: 500 V
- Potenza max: 50 kW tra 1200 e 1540 rpm
- Coppia max: 400 Nm tra 0 e 1200 rpm
- Rendimento: 90%
Inverter di corrente 500 V / 201,6 V tra motogeneratori e
batterie
Generatore a magneti permanenti (potenza limitata a 18
kW)
Rotismo epicicloidale con corona,portasatelliti e solare
Pacco batterie con 201,6 V di tensione massima
COSA MANCA RISPETTO AD UNA
VETTURA NORMALE

Assenza di un cambio (manuale o automatico): la Prius
non utilizza le marce

Assenza di frizione: le ruote motrici sono sempre
connesse meccanicamente ai motori

Assenza di un motorino di avviamento: il motore a
combustione interna è avviato dal generatore

Assenza di un alternatore: la potenza elettrica è
generata dai motogeneratori per quanto necessario
IL ROTISMO EPICICLOIDALE
E’ il punto forte della trasmissione della
Prius: permette di ottenere un CVT anche se
il rotismo è collegato rigidamente alle ruote
con rapporto fisso.
Il controllo elettronico fa sì che i motori
interagiscano tra loro, realizzando una
variazione continua di rapporti
Al motore elettrico
IL ROTISMO EPICICLOIDALE
Al motore termico
E’ il punto forte della trasmissione della
Prius: permette di ottenere un CVT anche se
il rotismo è collegato rigidamente alle ruote
con rapporto fisso.
Il controllo elettronico fa sì che i motori
interagiscano tra loro, realizzando una
variazione continua di rapporti
Al generatore
IL ROTISMO EPICICLOIDALE
FASI PRINCIPALI DI FUNZIONAMENTO
Avviamento
Farfalla completamente aperta
Partenza da fermo
Recupero di energia in frenata
MICROVETTURA: DATI TECNICI




Motore a combustione interna 180cc monocilindrico (Aprilia Atlantic)
- Coppia max: 16.9 Nm a 6500 rpm
- Potenza max: limitata a 10 kW
Motore elettrico Lynch LEM-200 a magneti permanenti
- Coppia max: 35 Nm tra 0 e 1500 rpm
- Potenza max: limitata a 8 kW
- Tensione max: 72 V
- Rendimento: 92%
Batterie: piombo acido o litio (queste necessitano di ultracapacitore)
- Corrente di scarica: 150 A
Controller Curtis
- Tensione ammessa 48-72 V
- Corrente massima per 1h: 175 A
IL PROBLEMA DEL GENERATORE
Sulla microvettura in esame non si pone il
problema del generatore, che è
fondamentale per
il funzionamento del sistema studiato,
perché
rende completamente indipendente
la microvettura dalla rete elettrica
SEMPLIFICAZIONI DI FUNZIONAMENTO

Il motore termico entra in funzione solo dopo i 15 km/h.
Prima agisce solo il motore elettrico che si stacca a
quella velocità

La batteria è considerata carica

Si pensa che il motore mantenga tutta la sua energia per
muovere l’auto, con un generale bilanciamento tra la
situazione reale e quella considerata nelle simulazioni
(l’energia ceduta al generatore verrebbe poi convertita
in elettricità per il motore elettrico)
RISULTATI SULLA PRIUS
 Simulazione della curva combinata di coppia
alle ruote, in funzione della velocità (1)
 Andamento combinato del rapporto di
trasmissione alle ruote in funzione della velocità (2)
 Accelerazione complessiva della vettura in
funzione della velocità (3)
 Tempo impiegato per arrivare da 0 a 100: 13,94s (10,9 dichiarato)
 Consumo del ciclo CEE motore termico: 2.44763 Kg
 Corrente sviluppata dal generatore: 46.0526 A
(le batterie sopportano 80 A da scariche e 50 A da cariche)
RISULTATI SULLA PRIUS
1
2
3
RISULTATI SULLA MICROVETTURA
 Simulazione della curva combinata
di coppia alle ruote, in funzione della velocità
 Andamento del rapporto combinato di
trasmissione alle ruote in funzione della velocità
( il rapporto fisso in uscita dal rotismo è stato
portato a 6)
 Accelerazione complessiva della vettura in
funzione della velocità
 Tempo impiegato per arrivare da 0 a 80 (limitata per avere un confronto): 15.22 s
 Consumo del ciclo CEE motore termico: 196.844 g
 Potenza max sviluppabile dal generatore: 15428.6 W
RISULTATI SULLA MICROVETTURA
4
5
6
CONFRONTO CON LE SOLUZIONI
PRECEDENTI
Modello
2 CVT:
tempo 0-80
(max 77 kmh) 63.28 s
consumo
158.42 g
CAMBIO 4 RAPPORTI:
42.35 s
205.61 g
CAMBIO 6 RAPPORTI:
13.6 s
217.49 g
CONCLUSIONI
Toyota Prius: - la presenza del generatore è essenziale per il funzionamento
- vantaggio nell’uso urbano: il motore termico entra in azione
raramente (per ricaricare la batteria) e questo fa sì che i
consumi siano bassi; nell’uso extraurbano i consumi crescono
Microvettura: - il sistema ha dato buoni risultati, essendo vicino alla soluzione
con 6 rapporti come prestazioni, ma avendo consumi più ridotti
- dall’analisi del generatore: risulta necessaria una modifica
del rapporto di ingranaggio tra gli elementi del rotismo e la
potenza sviluppata è alta (se confrontata alla Prius)
Università
degli
Studi di
Bologna
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica
Laboratorio CAD
Dimensionamento di massima di un sistema
di propulsione ibrida per una microvettura
Tesi di:
Fabio Monducci
Relatore
Prof. Ing. Luca Piancastelli