Appunti di Veicoli elettrici

Introduzione

La prima parola che viene in mente quando si parla di mobilità elettrica è sostenibilità.

La sostenibilità è la caratteristica di un processo o di uno stato che può essere mantenuta ad un certo livello indefinitamente. In ambito ambientale, economico e sociale, essa è il processo di cambiamento nel quale lo sfruttamento delle risorse, il piano degli investimenti, l'orientamento dello sviluppo tecnologico e le modifiche istituzionali si integrano in armonia e valorizzano il potenziale attuale e futuro al fine di far fronte ai bisogni e alle aspirazioni dell'uomo.

Su scala globale vi sono vari problemi da affrontare.

Problema 1: Emissioni di gas serra (grafico: World GHG Emissions Flow Chart - 2005)

Il settore energetico è responsabile di oltre il 50% delle emissioni di gas serra e, secondo il grafico, il settore trasporti è responsabile del 13,5% delle emissioni complessive. Nel 2016 il 15,9%. Le uscite trasporti sono in costante incremento. In Europa il 71% delle emissioni è imputabile alle attività e petteriori il 14% è attribuibile al settore aereo ed il 13% al settore marittimo. In quel 71% le auto sono i mezzi più incidenti (50%). Dal 1990 al 2016 il consumo dovuto alla produzione di energia elettrica è cresciuto in continuo aumento, così come il settore trasporti. Un continuo innalzamento delle emissioni necessità di un intervento: sono state prese per abbassarlo del 30% rispetto al 2005 ed al 2050. Il settore dei trasporti è responsabile di circa un terzo delle emissioni globali di gas serra, responsabili del riscaldamento globale causato dalle attività antropiche. Quindi il primo problema è di tipo ambientale e climatico.

Problema 2: Inquinanti

Per come è concepito ora, il settore trasporti non è sostenibile. Tutti gli ICE (Internal Combustion Engine) utilizzano l'energia proveniente dalla reazione di cambiamenti degli idrocarburi: l'energia termica derivante dalla reazione di combustione convertita in energia meccanica, viene rilasciata in atmosfera. Oltre all'anidride carbonica e all'acqua si emettono ossidi di azoto, monossido di carbonio, idrocarburi, ossidi di zolfo, altri inquinanti. Proprio perché gli inquinanti condividono lo stesso spazio, questo tipo di emissioni si riduce per via delle norme, non dei limiti dettati dal paradigma (da termico ad elettrico) delle tecnologie.

Problema 3: Petrolio

La fonte energetica, su cui si basano i trasporti, è quasi esclusivamente il petrolio. Le altre opzioni sono biomasse, gas naturale ed energia elettrica, che non deriva da fonti rinnovabili. La quantità di petrolio ancora estraibile è generalmente misurata in R/P, definito come numero di anni necessario ad esaurire le riserve care il tasso di produzione odierna. La stima non tiene conto dei giacimenti non ancora scoperti e non sfruttabili, né neanche delle variazioni dei consumi (in aumento).

Problema 4: Stabilità geopolitica

Il consumo energetico, fonte di fame, è altamente eterogeneo fra continenti. L'R/P per l'Europa, il Nord America, la zona pacifica dell'Asia e la Russia è inferiore ai 30 anni. Il problema risiede nel legare il settore trasporti in Stati che non hanno un assetto geopolitico stabile, non si può fare riferimento a energie interne.

Problema 5: Costi esterni

I costi esterni sono l'insieme dei costi che non sono considerati nelle analisi tecniche (clima, rumore, inquinamento, tematiche sociali, sicurezza).

Riassumendo, l'attuale settore dei trasporti deve fronteggiare cinque tipologie di problematiche:

• Inquinamento (scala locale);
• Riscaldamento globale e cambiamento climatico (scala globale);
• Ridotta autonomia energetica;
• Incertezze economiche;
• Costi esterni.

A tutte queste problematiche sono associati costi indiretti: inquinamenti e difficoltà di mobilità:

• Traffico nelle aree urbane, imbuti stradali (congestioni), incidenti, inquinamento acustico, grande utilizzo di suolo.
• Le misure urbanistiche sono molteplici: potenziamento trasporto pubblico e percorsi per bici/moto.
• Mozioni legislative: tassazioni favorevoli e disincentivi su emissioni ed eccezioni per produttori, sistemi fiscali particolarmente favorevoli; impiegare risorse per ricerca e sviluppo in tecnologie responsabili.

Però, queste soluzioni si scontrano nel tempo con l'incremento di popolazione a bordo del veicolo. I problemi resti sono quelli precedentemente citati.

FONDAMENTI DI PROPULSIONE E DINAMICA DEL VEICOLO

Un veicolo è un sistema complesso costituito da centinaia/migliaia di componenti. L'obiettivo è modellizzare un veicolo elettrico al fine di ridurre il consumo. Per fare questo, si considera un modello 2D, in cui il veicolo si muove lungo una traiettoria rettilinea:

• semplice da implementare, rapido da eseguire;
• consente di tenere in conto tutti i componenti del sistema di propulsione.

Con pochi gradi di libertà si definisce la traiettoria del veicolo ed un sistema di forze applicato.

Il veicolo si muove su un piano inclinato di un angolo α. Le grandezze di interesse sono:

• la distanza L tra le due ruote (dal punto di vista costruttivo);
• la distanza tra il punto di contatto della ruota anteriore ed il centro di gravità del veicolo (La);
• la distanza tra il punto di contatto della ruota posteriore ed il centro di gravità del veicolo (Lb).

Il baricentro O delle forze definita hg dal piano inclinato.

L'equazione della dinamica risulta:

dV/dt = (ΣFt - ΣFres) / δM

• V: velocità
• M: massa del veicolo

ΣFt: sommatoria delle forze trainanti

ΣFres: sommatoria delle forze resistenti

Il coefficiente δ tiene conto di tutte le norme rotabili del veicolo, solitamente vale 0,1 ÷ 0,15 se il peso trascurato. Ipotizzando che la trazione non anteriore, questo implica che in ΣFt consideriamo solo le componenti del sistema nella rotazione posteriore e nell'equazione:

Il membro a) abbiamo l’accelerazione, il membro b) l’inerzia di propulsione e le caratteristiche del veicolo.

FORZE RESISTENTI

La prima cosa che ci serve è conoscere il carico a cui sarà sottoposto il veicolo, al fine di dimensionare il sistema di propulsione. La prima forza da considerare è la resistenza al rotolamento.

La resistenza al rotolamento su superfici dure è principalmente dovuta alle proprietà articolare del materiale dello pneumatico.

Se la ruota non è in moto, il peso del veicolo comprime la gomma, ma con il moto la parte anteriore della gomma subisce una compressione e la parte posteriore (rispetto al centro delle forze) subisce una decompressione.

L’isteresi indica che le forze di compressione e reazione di quella di decompressione.

Le forze resistenti sono le perdite che il corpo deve mettere in moto le ruote e che devono emettere unire per imprimere una certa accelerazione.

La resistenza al rotolamento su superfici non dure è principalmente dovuta alla deformazione della superficie del terreno.

caratteristica ideale di un sistema di propulsione è avere una forza costante su tutto il range di velocità operative.

Potenza Nominale del Sistema di Propulsione

Le coppie si limitano dallo slittamento, quindi la Fe ha come limite Fe, max... A basse velocità abbiamo una regione a forza costante, perché limita tutto alla massima forza di trazione che abbiamo, e poi una regione in cui Fe decresce in maniera iperbolica, dove k ha potenza costante.

In figura, a destra, abbiamo la caratteristica ideale del sistema di propulsione (indipendente dalla tecnologia utilizzata) e, a sinistra (a), le curve del motore termico. Come adottare le curve tra due grafici? Tramite dei rapporti (a). Quando si sale di marcia per far decrescere il numero di giri, con la nuova velocità si ha un rapporto esatto. Ricordiamo che: Fe = Tm * τ x r x η_t. Quindi notiamo che la curva di coppia e la curva della forza di trazione sono legate da τ e c_e. All’aumentare della marcia si avrà una serie di curve come riportato in figura (2). L’impiego degli ingegneri è stato quello di rendere il motore termico adatto allo propulsione. Nella (a) si considera il motore elettrico ed il sistema di propulsione; le curve sono molto simili. Questo rappresenta un vantaggio tecnologico. Un sistema di trasmissione è complesso e composto da frizione, cambio manuale ed automatico ed albero di trasmissione. In linea di massima potrebbe non essere necessario un rapporto unitario, cioè il più rapporto di trasmissione, ma in realtà si cerca di far variare pochi componenti tra motore (Tm, ω_in, ω_max, η). È utile rappresentare la necessità o meno di avere a disposizione più rapporti di trasmissione nel piano Vehicle speed - Engine speed. Si ricordi che: V = ω_in x τ_i x η_t x rd τ comprende Ωmass r_d ωdr ω_nax x r_d x τ_ix η_i τ max = Tm_∞ x τ_inc

Quindi se da un lato riduciamo la velocità dell’otto aumentiamo la coppia. In funzione delle caratteristiche del motore potrebbe essere necessario usare più rapporti di trasmissione. Nelle curve, tra una marcia e l’altra, dobbiamo evitare i salti o gradino.