Paniere verificato di Veicoli elettrici e ibridi - Risposte aperte

(AC,).

BATTERIA DI TRAZIONE

• I veicoli ibridi che permetono la trazione eletrica sia pura che di supporto, sono dotat di

accumulatori eletrochimici comunemente chiamat Baterie di trazione o Baterie HV (High

Voltage). Esse sono composte da celle collegate in serie entro dei moduli. Ogni modulo è collegato

in serie al modulo successivo, fno a chiudere il circuito, otenendo cosi la somma delle d.d.p.

(diferenza di potenziale) di ogni singolo modulo.

Le tensioni erogabili dalle baterie di trazione possono variare dai 60V, fno ad arrivare ai 288V.

Le tecnologie di baterie di trazione prodote ed utlizzate per i veicoli ibridi ad oggi, sono

prevalentemente le seguent:

Baterie al lito → Le baterie agli ioni di lito grazie alle capacità degli ioni di lito di

immagazzinare una maggior quanttà di carica rispeto ad altri accumulatori, sono di

conseguenza più leggere e compate.

Una bateria agli ioni di lito produce una diferenza di potenziale nominale fra i poli di

3,6V, quindi occorrono meno moduli rispeto a baterie al Nichel-metal idruro o simili,

con il risultato di avere minori ingombri e peso.

Baterie al nichel-metallo idruro → Ogni bateria, produce una diferenza di potenziale

nominale fra gli eletrodi di circa 1,2V.

Nelle baterie di trazione, le baterie vengono collegate in serie entro dei moduli, a loro

volta collegat in serie.

SUPERCONDENSATORI

• Il supercapacitore o supercondensatore, è un partcolare tpo di condensatore che può accumulare

una quanttà di carica eletrica decisamente più grande rispeto ai condensatori tradizionali.

L’ultracapacità a bordo di un veicolo viene chiamata anche e-booster, ed è formata da una serie di

2 condensatori che, durante la fase di avviamento forniscono una sovra potenza per garantre

all’alternatore la coppia necessaria (circa 50Nm) per l’avviamento del motore.

L’ultracapacità è sempre gestta eletronicamente, e si trova, nella maggior parte dei modelli, soto

il parafango anteriore dell’auto. La durata di vita è di circa 15 anni o 240.000 km secondo l’utlizzo

del veicolo.

Il singolo supercondensatore ha una capacità di 1200F e una tensione di circa 5,4V, che può

garantre fno a 4 ravviament senza ricarica ed una potenza supplementare di 4kW.

INVERTER E CONVERTER

• Nei veicoli ibridi ed eletrici è di vitale importanza, la trasformazione energetca. I dispositvi a

bordo del veicolo, che si devono assolvere tali funzioni vengono di solito racchiusi in un unico

complessivo chiamato Gruppo Inverter, all’interno del quale esiste sia un dispositvo che converte

la tensione contnua in alternata ed uno che innalza o abbassa la stessa tensione, per otemperare

alle richieste del veicolo che viaggia su strada.

I dispositvi in grado di trasformare la tensione CC in AC e viceversa, prendono il nome di

◦ INVERTER;

◦ I dispositvi in grado di innalzare o abbassare una tensione, prendono il nome di CONVERTER O

BUCK-BOOST CONVERTER;

In ogni veicolo ibrido od eletrico, è presente un inverter in grado di trasformare una tensione

DC in AC essendo quest veicoli sincroni trifase in corrente alternata. (dalla bateria HV esce

una tensione contnua → inverter posto tra la bateria e il motore eletrico, in grado di

trasformare questa)

Lez.27/28/29

I motori eletrici utlizzat nei veicoli sono quelli trifase.

Si aggiungono poi i motori in corrente contnua, sia perché non è escluso un loro utlizzo nelle mini car o in

altre tpologie di veicoli eletrici, in ragione della maggiore semplicità, sia perché i principi di funzionamento

di un motore in corrente contnua costtuiscono un utle fondamento per la comprensione dei motori in

alternata.

Al momento le tre tpologie di motori eletrici in corrente contnua propost come propulsori per veicoli

sono: il motore DC senza spazzole (Brushless direct current, BLDC) noto anche come sincrono a magnet

• permanent,

I principali vantaggi del BLDC derivano dalla realizzazione del rotore con un magnete permanente

che permete di otenere un elevato fusso magnetco e quindi una elevata densità di coppia e di

potenza a cui si accompagnano elevata efcienza e bassa rumorosità. Lo stesso magnete è però

anche causa delle principali critcità di questa macchina eletrica, quali un elevato fusso magnetco

che si otene impiegando materiali appartenent alla famiglia delle terre rare, la cui disponibilità e

costo possono risultare sfavorevoli.

Si aggiungono potenziali fenomeni di smagnetzzazione favorit dal surriscaldamento del rotore e

aspet legat alla sicurezza, specialmente nell'eventualità di un incidente, dovut alla presenza di un

fusso magnetco non regolabile.

il motore a induzione (Inducton motor, IM)

• Tra i motori in grado di competere con il BLDC, quello a induzione (IM) ha come principali punt di

forza il minor costo, la costruzione robusta e la consolidata maturità tecnologica.

il motore a commutazione di rilutanza (Swithced reluctance motor, SRM).

• Lo SMR è da alcuni anni oggeto di important sforzi di ricerca e sviluppo che gli hanno permesso di

superare problematche di rumorosità e instabilità della coppia che hanno da sempre

rappresentato il principale ostacolo alla sua difusione.

Si trata in generale di macchine poco costose ed afdabili in grado di raggiungere densità di

potenza superiore ai motori a induzione. Per questo e lecito aspetarsi un loro progressivo impiego

nei veicoli di prossima realizzazione.

Leggi della fsica alla base del funzionamento dei motori eletrici

Una bobina composta da N spire percorsa da una corrente i, genera un fusso magnetco Ф pari a:

• φ=(N*i)/R dove R è la rilutanza e (N*i) è la forza magnetomotrice In una generica sezione A,

Nel caso la bobina sia avvolta atorno ad un atraversata dal fusso magnetco

materiale ferromagnetco, caraterizzato da Ф, si indica con B= Ф /A la densità

valori di rilutanza signifcatvamente inferiori di fusso magnetco.

rispeto a quelli dell'aria, con buona Nel sistema internazionale Ф si

approssimazione si può assumere che il fusso misura in Weber, mentre B in

magnetco rimanga confnato al suo interno. Weber/m2 o Tesla.

• Un condutore atraversato da una corrente eletrica che si trova immerso in un campo magnetco

è soggeto ad una forza. Se consideriamo una porzione di un condutore eletrico di lunghezza L

[metri], atraversato da una corrente i [Ampere] e immerso in un campo magnetco caraterizzato

da una densità di fusso magnetco B [Tesla], la forza F sarà → F=B*L*i

Il verso della forza indicato in fgura dipende dal verso della corrente e del campo magnetco e

◦ può essere invertto, cambiando il verso di una di queste due grandezze.

• In un condutore eletrico che si muove all'intemo di un campo magnetco si genera una tensione

indota. Per una porzione di un condutore di lunghezza L [metri], che si muove con una velocità

v[m/s] in un campo magnetco caraterizzato da una densità di fusso magnetco B [Tesla], la

tensione indota E [Volt] che si genera ai capi del condutore e pari a → E=B*L*v

Schema concetuale di un motore eletrico in corrente contnua (DC)

- una spira immersa in un campo magnetco generato

da un magnete permanente (o in alternatva da un

avvolgimento eletrico);

- due commutatori A e B connessi alla spira che

ruotano solidali con essa;

- due spazzole X e Y fsse, in contato strisciante con i

commutatori;

- una bateria (individuata in fgura dai soli morset + e

-) che alimenta la spira atraverso la connessione

generata dal contato commutatore/spazzola.

Lo statore, costtuito da un magnete crea un campo magnetco B.

Il rotore è formato da un avvolgimento (o spira) collegato al commutatore, che sta a contato con due

spazzole (+ e -) per creare un contato eletrico. Esse sono alimentate da un generatore di tensione in

contnua.

Quindi, la spira percorsa da una corrente genera un campo magnetco (BR creato dal rotore) che interagisce

con un secondo campo magnetco (BS creato dallo statore) per creare una forza tale da far ruotare la spira.

Osservando il movimento della spira, quando essa si trova in direzione perpendicolare, la forza che si

otene vale 0 (non si ha uniformità nella coppia erogata). Per ovviare a questo problema si crea un secondo

avvolgimento, a 90° rispeto al primo, in modo che quando una si trova in direzione perpendicolare, l’altra

si trova in direzione “di coppia massima”.

La coppia generata nel motore DC è dovuta alle forze generate dall'interazione corrente/campo magnetco

e si può in generate esprimere come → C=Km*φ*i

dove Ф è il fusso magnetco prodoto dai magnet statorici, i la corrente che circola negli

• avvolgiment rotorici, e Km una costante dipendente dalle carateristche costrutve del motore.

È importante osservare però che quest'ultma dipende oltre che, ovviamente, dalla tensione della bateria

di alimentazione, anche dalla velocità di rotazione del motore, a causa dell'instaurarsi di una tensione

indota che si oppone al passaggio della corrente → E=Km*φ*ω

CIRCUITO EQUIVALENTE DELL’ARMATURA

i=(V-E)/R oppure i=V/R – Km*φ*ω/R

C=Km*φ*i oppure C=(Km*φ)/R*V

Grafco della coppia in funzione di ω

La coppia generata è proporzionale alla corrente che

viene fata passare negli avvolgiment del rotore.

Il controllo più semplice agisce sulla tensione di Dal grafco della coppia massima erogata si può vedere

alimentazione. Più è alta la tensione più sarà alto che già a zero giri (ω=0), e quindi da fermo, il motore

il numero di giri. ofre la coppia più alta di tuto l'arco di utlizzo. Questa

è anche la situazione in cui il motore assorbe più

corrente (la coppia è diretamente proporzionale alla

corrente). Sempre dal grafco della coppia vediamo che

essa diminuisce costantemente all'aumentare del

numero di giri. Proprio in corrispondenza del numero

massimo di giri, deto anche velocità a vuoto, la coppia

diventa zero. Quindi nei motori eletrici non c'è il

pericolo dei cosiddet "fuorigiri" tanto temut nei

motori endotermici.

Da queste considerazioni si può facilmente capire

Questa situazione è caraterizzata dall'assenza di una coppia resistente, che consente un aumento della

perché alle velocità più alte il veicolo eletrico è poco

velocità di rotazione del motore fno a che il valore di E raggiunge quello di V.

soddisfacente

In queste condizioni, caraterizzate dall'assenza di una coppia motrice e di una coppia frenante, il motore

mantene invariata la propria velocità di rotazione.

Infne, si nota nella curva che la coppia per valori ω prossimi allo spu