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L’ibrido serie

Il solare- i miti da sfatare

Giugno 18, 2019 Commenti (0) Ingegneria, Ingegneria Energetica, Ingegneria Meccanica Tempo di Lettura:

L’ibrido parallelo

Dopo l’articolo introduttivo, analizziamo una delle configurazioni un veicolo ibrido.

L’ibrido parallelo

Un veicolo con configurazione in parallelo è un’automobile in cui la potenza per la trazione può provenire sia dal motore elettrico sia dal motore termico, anche contemporaneamente. Più propriamente, si definisce come un “veicolo termico assistito elettricamente”.

Si capisce come ora sia necessaria una trasmissione anche per il motore termico, in quanto collegato alle ruote.

Da sinistra: configurazione a doppia trasmissione, a singola trasmissione, ad assi indipendenti (sotto)

In tutte le configurazioni è possibile notare la presenza di una frizione (clutch): questa è necessaria per scollegare il motore termico quando è ad esempio attiva la frenata rigenerativa o la modalità full electric. Il torque coupling consente invece di sommare opportunamente le potenze provenienti dai due motori. La soluzione ad assi indipendenti viene definita anche through the road.

Modi di funzionamento

Tra le modalità di funzionamento troviamo:

  • elettrico puro, con motore termico spento, alimentazione a batteria;
  • termico puro, con motore elettrico spento, alimentazione da ICE;
  • combinato, entrambi i motori spingono il veicolo;
  • power split, il motore spinge il veicolo e ricarica la batteria;
  • regen, l’azionamento di trazione recupera l’energia cinetica in frenata;

Vantaggi e svantaggi

La possibilità di svincolare i due motori consente ai veicoli ibridi parallelo di essere più flessibili rispetto ai serie in quanto a scopi. In più, rispetto ad un tradizionale veicolo con ICE, il motore termico può qui essere lievemente sottodimensionato, in quanto nei transitori la richiesta di potenza viene assecondata dal motore elettrico.

Tuttavia, il vincolo cinematico tra ruote e motore termico fa perdere il vantaggio acquisito in termini di rendimento termodinamico. Le complesse trasmissioni utilizzate per lo split della potenza proveniente dai due motori, nonché l’aumento generale del peso del powertrain, producono svantaggi non indifferenti.

Architettura parallelo e analisi dei flussi energetici

Grado di ibridizzazione parallelo

Similmente a come definito per i veicoli ibridi serie, si indica come grado di ibridizzazione parallelo il rapporto tra la potenza generata dal motore termico e la potenza di trazione complessiva, secondo la seguente:

\(R_{h,p} = \frac{P_{ICE}}{P_{ICE}+P_{trac,elect}}\)

Dal diagramma sottostante si può vedere come l’ibrido parallelo occupi la zona superiore, coerente col coefficiente sopra definito. Si identificano poi quattro diverse tipologie di parallelo.

Micro hybrid

E’ un veicolo termico con un apporto di potenza elettrico minimo. L’immagazzinamento di energia elettrica è opzionale.

Tra le funzionalità principali abbiamo quella di start&stop ed early cut-off (cioè il motore termico viene spento quando la velocità del veicolo è prossima allo zero, in arresto). Il componente che li caratterizza maggiormente è il Belt Alternator Starter.

Introdotto da General Motors, è un sistema capace di fornire un lieve apporto di potenza durante le accelerazioni. Non consente di lavorare in full electric. Rispetto a tutte le soluzioni esistenti, questa è quella che richiede meno modifiche perché il sistema può essere facilmente collegato ad un propulsore senza il bisogno di progettarlo nuovamente. In più, non richiede un’alimentazione separata, prendendo l’energia elettrica dalla normale linea a 12 V del veicolo. Le prestazioni di questa macchina si aggirano intorno ai 10 kW e tipicamente ruota al doppio della velocità del motore termico.

Questa è la soluzione al momento preferita da costruttori senza un esteso know-how nel campo dell’elettrico, in quanto richiede un numero di modifiche su veicoli già esistenti minimo.

In alto è visibile il BAS, collegato tramite cinghia al motore termico.

Mild hybrid

Questa soluzione consente un minimo immagazzinamento di energia elettrica, al contrario della precedente, nonché un apporto di energia da motore elettrico più consistente, il quale può essere quindi reso più compatto. Tra le funzioni di questa configurazione troviamo lo start&stopboost, frenata rigenerativa e una modalità full electric, anche se molto ridotta.

Il componente che caratterizza questa soluzione è il Flywheel Alternator Starter o FAS. Si tratta di un volano azionato elettricamente calettato sull’albero motore in prossimità del motore stesso. Apporta una potenza addizionale fino a 20 kW e gira, ovviamente, alla stessa velocità del motore termico.

Motore Honda con in vista il FAS.

La presenza di questa macchina elettrica fa sì che nel veicolo debba essere installato un sistema a 400 V (per la presenza della batteria). L’aumento della complessità meccanica e la necessità di riprogettare il propulsore termico non hanno reso molto diffusa questa soluzione. Inoltre l’alternatore classico è spesso presente perché non è possibile per il FAS fornire le coppie di avviamento del motore termico senza un opportuno sovradimensionamento.

Full parallel hybrid

Configurazione più completa di veicolo ibrido parallelo, in quanto la generazione di potenza elettrica per la trazione e l’immagazzinamento di energia elettrica sono notevolmente aumentati. Condivide l’idea di base del mild hybrid, ma a differenza di un volano si utilizza un motore/generatore elettrico vero e proprio.

L’autonomia è sufficiente a consentire una modalità full electric per distanze notevoli e il motore elettrico fornisce fino a 100 kW di potenza per la trazione. In più, non essendo collegato al motore termico, può ruotare ad una velocità diversa. Si possono trovare anche soluzioni 4WD e, in questo caso, la trazione elettrica in questo caso è adatta alle diverse condizioni di guida e viene dimensionata sulle richieste di velocità massima, pendenza massima, ecc.

Un esempio di full parallel hybrid è mostrato nel video successivo.

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