34623 - SISTEMI PER LA PROPULSIONE ELETTRICA M

Conoscenze e abilità da conseguire

Conoscenza delle configurazioni del sistema di trazione di un veicolo terrestre su gomma a trazione elettrica. Conoscenza delle principali architetture dei sistemi di propulsione ibrida per applicazioni navali e terrestri, quali: ibrido serie, ibrido parallelo, power split. Conoscenza delle problematiche di controllo e della componentistica (macchine elettriche, azionamenti, trasmissioni meccaniche) da utilizzare nei sistemi elettrici o ibridi. Conoscenza delle principali problematiche legate all’utilizzo di sistemi di accumulo elettrochimico e di motori endotermici. Apprendimento della metodologia di progetto di un sistema di propulsione elettrico o ibrido e del relativo criterio di dimensionamento dei componenti.

Contenuti

1      Sistemi di trazione terrestre

1.1       Introduzione al corso
1.1.1    Come consumare meno per risparmiare tutti.
1.1.2    Verso una mobilità più sostenibile. Il contributo dell'ingegneria elettrica

1.2        Dinamica di un veicolo terrestre
1.2.1    Equazione del moto longitudinale di un veicolo
1.2.1.1     Contributi all'inerzia del veicolo: masse rotanti (ruote, trasmissione, alberi, rotori), massa veicolo, massa carico
1.2.1.2     Forza resistente aerodinamica
1.2.1.3     Forza resistente attrito
1.2.1.4     Forza resistente componente peso
1.2.1.5     Trazione e slittamento alla ruota
1.2.1.6     Tabelle e dati di riferimento per categorie di veicoli (es. auto segmento C, SUV),
1.2.1.7     Programma di calcolo in ambiente Matlab-Simulink
1.2.2    Altre caratteristiche dinamiche di un veicolo
1.2.2.1     Assi di Pitch, Yaw, Roll
1.2.2.2     Stabilità, drift, ecc…

1.3      Motore termico
1.3.1    Principio di funzionamento
1.3.1.1     Richiami su cicli Diesel, Sabathè, ecc…..
1.3.1.2     Diagramma P-V
1.3.2    Caratteristiche esterne di un motore termico
1.3.2.1     Pressione Media Effettiva (MEP-Mean Effective Pressure), coppia del motore
1.3.2.2     Consumo specifico (BSFC – Brake Specific Fuel Consumption)
1.3.2.3     Diagrammi di coppia, BSFC, Potenza vs. velocità di rotazione
1.3.2.4     Punti a consumo minimo
1.3.2.5     Diagrammi di esempio  

1.4      Trasmissioni
1.4.1    Cambio meccanico a rapporti fissi (cenni)
1.4.1.1     Cambio meccanico ad H
1.4.1.2     Cambio sequenziale e sequenziale doppia frizione
1.4.2    Rotismo epicicloidale
1.4.2.1     Principio di funzionamento
1.4.2.2     Relazioni cinematiche, Formula di Willis
1.4.2.3     Ripartizione di coppia e potenza
1.4.2.4     Relazioni dinamiche
1.4.2.5     Rendimento
1.4.2.6     Modello del rotismo epicicloidale
1.4.2.7     Esempi di applicazione del rotismo epicicloidale
1.4.2.8     Differenziale
1.4.3    Cambio automatico meccanico
1.4.3.1     CVT a cinghia e puleggia
1.4.3.2     Convertitore di coppia e rotismo epicicloidale
1.4.3.3     Rotismi epicicloidali a comando meccanico (cinghie o ingranaggi)

1.5    Componenti del sistema di trazione
1.5.1    Schema di principio.
1.5.2    Macchine elettriche per trazione.
1.5.2.1    Macchina sincrona brushless. Classificazione. Caratteristiche salienti e modello numerico di un azionamento  brushless  per trazione. Campi di funzionamento in MTC, in sovraccarico e ad alta velocità. Schema di controllo. Principali problematiche legate all'utilizzo di questa macchina. Mappa di efficienza.
1.5.2.2    Macchina asincrona. Caratteristiche salienti e modello numerico di un azionamento  brushless  per trazione. Campi di funzionamento in MTC, in sovraccarico e ad alta velocità. Schema di controllo. Principali problematiche legate all'utilizzo di questa macchina. Mappa di efficienza.
1.5.2.3    Soluzioni direct-drive. Esempio di dimensionamento per macchina brushless SPM-SM. Limiti funzionali. Problematiche di integrazione meccanica.
1.5.2.4    Soluzioni con macchina ad alta velocità. Esempio di dimensionamento per macchina brushless SPM-SM. Riduttore meccanico. Limiti funzionali. Problematiche tecnologiche.

1.5.3    Inverter
1.5.3.1     Stadio di potenza. Soluzione tradizionale a due livelli. Componenti idonei alla trazione (Mosfet, IGBT). Tecnologie di montaggio. Densità di potenza VA/cm3; VA/€ delle diverse soluzioni in funzione di potenza e tensione di alimentazione.
1.5.3.2    Bus DC. Rappresentazione delle componenti della corrente sul bus-DC. Criterio di dimensionamento del bus DC. Tecnologie utilizzabili.
1.5.3.3    Sistema di controllo. Architettura di una scheda di controllo a microprocessore per azionamenti elettrici avanzati di trazione. Circuiti ausiliari.
1.5.3.4    Sistema di comunicazione CAN-bus. Livello hardware.

1.5.4    Sistemi di accumulo
1.5.4.1    Rassegna delle tipologie di sistemi di accumulo utilizzabili per la trazione elettrica. Diagramma di Ragone.
1.5.4.2    Batterie al piombo. Reazione elettrochimica. Soluzioni costruttive (Piombo acido, piombo-gel). Problematiche tecnologiche e di impiego.
1.5.4.3    Batterie a Ioni di Litio e Litio-polimero. Reazione elettrochimica. Soluzioni costruttive. Prestazioni. Problematiche tecnologiche e di impiego sui veicoli. Limitazione della corrente di scarica.
1.5.4.4    Modello di un sistema di accumulo elettrochimico. Stima del livello di carica di una batteria al litio.
1.5.4.5    Equalizzazione delle batterie. Schemi di equalizzazione attiva e passiva.
1.5.4.6    Sistemi di accumulo ad elevata densità di potenza: supercondensatori, volano. Caratteristiche generali. Modelli. Problematiche di impiego.

1.6    Drivetrain ibridi

1.6.1    Trasmissioni Full-hybrid
1.6.1.1    Sistemi power split e-CVT di tipo ‘input' e ‘compound'. Soluzioni Toyota, Ford, Mercedes – GM
1.6.1.2    Sistemi power split e-CVT innovativi
1.6.1.3    Caratteristiche delle macchine elettrice impiegate

1.6.2    Trasmissioni mild-hybrid e mini-hybrid
1.7    Controllo di un sistema di trazione elettrico/ibrido
1.7.1    Elementi del sistema di controllo
1.7.1.1    Sistema di comunicazione CAN-Bus. Caratteristiche HW e descrizione del livello SW.
1.7.1.2    Periferiche hardware. Sensori, interfaccia guidatore, ecc.
1.7.1.3    Schema di un sistema distribuito di controllo per veicolo full-hybrid.
1.7.2    Tecniche di controllo ad alto livello
1.7.2.1    Schema di controllo ad alto livello di un sistema di trazione basato su un azionamento per trazione elettrica. Modello Simulink completo. Implementazione di diverse strategie di controllo
1.7.2.2    Schema di controllo ad alto livello per un sistema di trazione di tipo full-hybrid. Modello Simulink completo. Implementazione di diverse strategie di controllo

1.7.3    Requisiti normativi
1.7.3.1    Norme SAE specifiche per veicoli elettrici.
1.7.3.2    Safety Integrity Level (SIL). Norme specifiche  IEC 61508 e IEC 61511.
1.7.3.3    Requisiti di omologazione

1.8    Veicoli
1.8.1    Classificazione normativa dei veicoli stradali.
1.8.2    Descrizione dei principali requisiti normativi, delle soluzioni tecniche, delle principali problematiche ed ipotesi di dimensionamento del sistema di trazione elettrico per i seguenti veicoli:
1.8.2.1    Bicicletta a pedalata assistita.
1.8.2.2    Scooter elettrico
1.8.2.3    Quadriciclo leggero e pesante
1.8.2.4    Automobile (gruppo M1)
1.8.2.5    Autocarro con PTT<3.5ton (gruppo N1)
1.8.2.6    Autobus urbano

2    Sistemi di propulsione ibrida navale
2.1    Caratteristica meccaniche del carico
2.1.1    Caratteristica di un sistema di propulsione navale.
2.1.2    Resistenza della carena. Curve caratteristiche di un'elica.
2.1.3    Curva coppia-velocità di rotazione all'asse elica. 
2.2    Sistemi di propulsione ibrida
2.2.1    tipo serie per grandi navi
2.2.2    tipo serie multi frazionato
2.2.3    tipo power split e parallelo
2.3    Applicazione dei sistemi ibridi su imbarcazioni da diporto e navi da lavoro

Testi/Bibliografia

Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles : fundamentals, theory, and design /
Mehrdad Ehsani ... [et al.]. - Boca Raton : CRC, c2005.
http://www.engnetbase.com/books/4675/3154fm.pdf. -
ISBN 0849331544

Propulsion systems for hybrid vehicles
John M. Miller.
Stevenage : IEE, c2004. - XVI, 455 p.
ISBN 0863413366
 

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Discussione di una relazione di progetto di un sistema di trazione
Esame orale

Strumenti a supporto della didattica

Esercitazioni in aula per l'implementazione di di modelli di veicoli, componenti e sistemi di trazione completi.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Claudio Rossi