HiEHyPwt - High Efficiency Hybrid Powertrain
L'Unità di ricerca HiEHyPwt, attivata in risposta al Bando per la creazione e lo sviluppo di unità di ricerca, nell'ambito dei programmi operativi “Investimenti per la crescita e l'occupazione 2014/20 (FESR)” e “Investimenti a favore della crescita e dell’occupazione 2014/2020 (FSE)”, ha come capofila l'impresa Podium Engineering S.r.l.. Il partenariato è costituito inoltre dal Politecnico di Torino, con sede a Verrès, e le imprese Honestamp S.r.l. di Pont-Saint-Martin, Vallée Trafor S.r.l. di Aosta e Eltek S.p.a. di Hone.
Benché i veicoli ibridi siano una realtà consolidata, esistono cospicui margini di miglioramento se si pensa al veicolo come un sistema energetico integrato. L'obiettivo dell'Unità di ricerca (UdR). Benché i veicoli ibridi siano una realtà consolidata, esistono cospicui margini di miglioramento se si pensa al veicolo come un sistema energetico integrato. L'obiettivo dell'Unità di ricerca (UdR) è lo sviluppo di componenti e architetture che consentano tale integrazione per ridurre consumi e emissioni a costi competitivi. L'Unità di ricerca prevede lo sviluppo di tre progetti interdisciplinari e con una forte interazione reciproca, che corrispondono ai tre sottosistemi principali dell'architettura ibrida: 1) accumulo; 2) recupero; 3) gestione energia. Obiettivo del progetto è lo sviluppo di tecnologie e architetture per pacchi batterie compatti, affidabilil ed efficienti partendo da celle disponibili sul mercato.
Progetto 1: Dispositivi Stoccaggio Energia
Il progetto dedicato allo sviluppo dei sistemi di accumulo ha lo scopo di ricercare, approfondire ed esplorare le tecnologie per raggiungere l'obiettivo ultimo dell 'investimento in ricerca: la progettazione e la produzione in grandi volumi di batterie economiche, affidabili e ad alto rendimento per auto elettriche e ibride.
Le batterie al litio hanno dimostrato il proprio valore in milioni di dispositivi, tra cui notebook, telefoni cellulari e anche elettroutensili. Tuttavia i requisiti da soddisfare per i veicoli elettrici ed ibridi sono molto più impegnativi: ad esempio le batterie devono raggiungere buone prestazioni in diversi condizioni di utilizzo, nel rigore dell'inverno così come con elevate temperature. Inoltre in caso di malfunzionamento o incidente non devono costituire una fonte di pericolo o insicurezza.
In particolare per quanto riguarda le batterie i temi e gli obiettivi scientifici del progetto di ricerca mirano ad andare a lavorare ed approfondire i temi critici che oggi rappresentano il tassello fondamentale per far sì che l'auto elettrica/ibrida diventi fenomeno di massa e quindi si concentrano sugli accumulatori per fare in modo che le batterie, grazie alla loro integrazione possano incrementare la durata e l'autonomia rendendole quindi sicure e affidabili. Si approfondiscono in particolare le conoscenze relative alla gestione termica delle batterie, ai sistemi di giunzione e collegamento meccanico delle stesse ed infine alla loro gestione attraverso una dedicata elettronica di controllo sviluppando che integra modelli previsionali.
Le conoscenze che sono alla base delle attività di ricerca sono ben note e consolidate, si tratta infatti delle normali e diffuse metodologie di sviluppo e simulazione (analitica e ad elementi finiti). Il grado di innovazione del progetto stesso si concentra nella loro implementazione in ambiti in cui il prodotto è un prodotto nuovo e soprattutto nella loro interazione fra aspetti tipici dello sviluppo meccatronico, quindi caratterizzati da forte interdisciplinarità fra aspetti meccanici costruttivi, elettrici ed elettronici, informatici e legati a tematiche di controllo che caratterizzano l' entroterra culturale e scientifico del gruppo di lavoro.
In particolare per quanto riguarda le batterie i temi e gli obiettivi scientifici del progetto di ricerca mirano ad andare a lavorare ed approfondire i temi critici che oggi rappresentano il tassello fondamentale per far sì che l'auto elettrica/ibrida diventi fenomeno di massa e quindi si concentrano sugli accumulatori per fare in modo che le batterie, grazie alla loro integrazione possano incrementare la durata e l'autonomia rendendole quindi sicure e affidabili. Si approfondiscono in particolare le conoscenze relative alla gestione termica delle batterie, ai sistemi di giunzione e collegamento meccanico delle stesse ed infine alla loro gestione attraverso una dedicata elettronica di controllo sviluppando modelli previsionali.
Le conoscenze che sono alla base delle attività di ricerca sono ben note e consolidate, si tratta infatti delle normali e diffuse metodologie di sviluppo e simulazione (analitica e ad elementi finiti). Il grado di innovazione del progetto stesso si concentra nella loro implementazione in ambiti in cui il prodotto è un prodotto nuovo e soprattutto nella loro interazione fra aspetti tipici dello sviluppo meccatronico, quindi caratterizzati da forte interdisciplinarità fra aspetti meccanici costruttivi, elettrici ed elettronici, informatici e legati a tematiche di controllo che caratterizzano l'entroterra culturale e scientifico del gruppo di lavoro.
Progetto 2: Recupero di Energia nei Veicoli
Il progetto ha avuto ad oggetto lo studio, la progettazione, la prototipazione e la validazione sperimentale in laboratorio di sistemi per il recupero di energia, l'aumento dell'efficienza e la riduzione delle emissioni inquinanti nei veicoli passeggeri, commerciali e industriali. L' energia che può essere recuperata, utilizzando la macchina elettrica come generatore, è compatibile con le richieste delle diverse utenze elettriche a bordo veicolo. Ciò consentirebbe di eliminare l'alternatore. Questo ha un impatto significativo sul layout della powertrain poiché consentirebbe di eliminare il giro cinghia accessori se gli accessori fossero elettrici. La possibilità di utilizzare la macchina elettrica come motore mettendo in atto la funzione di boost del compressore consente di migliorare le prestazioni ai bassiregimi del motore termico. Ciò consente di ridurre la cilindrata del motore termico con ulteriore vantaggio di riduzione peso del veicolo.
L'elemento di maggiore rilevanza tecnica del progetto è lo sviluppo di turbocompressori elettrici basati sulla tecnologia delle macchine elettriche ad isteresi magnetica. Uno studio recente evidenzia come i motori a isteresi magnetica (MlM) potrebbero superare le limitazioni intrinseche delle macchine a magneti permanenti, a induzione, e a riluttanza commutata nel campo delle macchine elettriche ad alta velocità. Lo stesso studio fa notare come la tecnologia dei MIM sia ancora praticamente inesplorata. Si ritiene che nell' industria automobilistica, l'utilizzo di MIM può permettere la realizzazione di turbocompressori sostenibili dal punto di vista economico e affidabilistico con un potenziale di riduzione nelle emissioni dell 'ordine dei 30-50 gC02/km. 11 segmento di mercato è quello dei veicoli su strada che rappresenta un settore molto attrattivo per i grandi volumi di mercato. Inoltre il settore è in ripresa segnando un+ 23.5 % di incremento
di immatricolazioni nel segmento vetture nel 2015 in Europa. In questo settore i componenti e sistemi veicolo per il miglioramento dell'efficienza energetica sono molto attrattivi per il loro impatto sul miglioramento dei consumi e riduzione delle emissioni. Le case costruttrici sono chiamate a pagare delle multe per ogni veicolo immatricolato che non rispetta i limiti in termini di emissioni di grammi di C02. In tale scenario, le case costruttrici valutano il costo del componente/sistema in funzione dei benefici di riduzione di C02. Il costo varia tra 60 a 80 € per g di C02 risparmiato al km.
La quantità di energia che può essere recuperata, utilizzando la macchina elettrica come generatore, è compatibile con le richieste delle diverse utenze elettriche a bordo veicolo. Ciò consente di eliminare l'alternatore. Questo ha un impatto significativo sul layout della powertrain poiché consente di eliminare il giro cinghia accessori se gli accessori sono elettrici. La possibilità di utilizzare la macchina elettrica come motore mettendo in atto la funzione di boost del compressore consente di migliorare le prestazioni ai bassi regimi del motore termico. Ciò consente di ridurre la cilindrata del motore termico con ulteriore vantaggio di riduzione del peso del veicolo.
L'elemento di maggiore rilevanza tecnica del progetto è lo sviluppo di turbocompressori elettrici basati sulla tecnologia delle macchine elettriche ad isteresi magnetica. Uno studio evidenzia come i motori a isteresi magnetica (MlM) potrebbero superare le limitazioni intrinseche delle macchine a magneti permanenti, a induzione, e a riluttanza commutata nel campo delle macchine elettriche ad alta velocità. Lo stesso studio fa notare come la tecnologia dei MIM sia ancora praticamente inesplorata. Si ritiene che nell' industria automobilistica, l'utilizzo di MIM può permettere la realizzazione di turbocompressori sostenibili dal punto di vista economico e affidabilistico con un potenziale di riduzione nelle emissioni dell'ordine dei 30-50 gC02/km. Il segmento di mercato è quello dei veicoli su strada che rappresenta un settore molto attrattivo per i grandi volumi di mercato. In questo settore i componenti e sistemi veicolo per il miglioramento dell'efficienza energetica sono molto attrattivi per il loro impatto sul miglioramento dei consumi e riduzione delle emissioni. Le case costruttrici sono chiamate a pagare delle multe per ogni veicolo immatricolato che non rispetta i limiti in termini di emissioni di grammi di C02. In tale scenario, le case costruttrici valutano il costo del componente/sistema in funzione dei benefici di riduzione di C02. Il costo varia tra 60 a 80 euro per g di C02 risparmiato al km.
Progetto 3: Gestione energetica nei veicoli
Le auto con trazioni ibride ed elettriche hanno sistemi di gestione del veicolo più complessi rispetto al solo utilizzo del motore a combustione in quanto è necessario ottimizzare l'efficienza energetica del veicolo preservando la vita del pacco batterie. Essendo il componente che permette l'accumulo e il rilascio di energia, il pacco batterie è l'elemento centrale della powertrain di un veicolo ibrido/elettrico. Da esso dipende la possibilità di riutilizzare le energie altrimenti dissipate, oppure la possibilità di muoversi con zero emissioni, d'altro canto il suo costo costituisce un elemento critico.
La disponibilità di sistemi elettrici ed elettronici efficienti e a costi accettabili ha motivato da più di un decennio la tendenza nel settore automotive all'elettrificazione di molte funzioni. La spinta maggiore in questa direzione è data dalla necessità di ridurre consumi ed emissioni. Poiché gli accessori elettrici possono essere attivati solo quando necessari, essi danno un vantaggio energetico intrinseco rispetto a quelli meccanici. A ciò si deve
aggiungere anche la loro facile controllabilità e i rendimenti elevati. Questi fattori motivano il graduale passaggio da accessori puramente meccanici o idraulici verso accessori elettrici. La tendenza alla maggiore elettrificazione porta a prefigurare nel presente progetto una nuova architettura di veicolo ibrido in cui il motore termico è affiancato da un insieme di sistemi elettrici che in parte assicurano il funzionamento del motore o del veicolo (accessori), in parte si occupano del recupero dell'energia e della sua gestione (turbo elettrico sviluppato nel progetto 2, motori elettrici di trazione). In questo modo il veicolo diventa un sistema energetico complesso che deve decidere in ogni istante quali sistemi attivare, al fine di massimizzare il rendimento globale e preservando la vita del pacco batterie. Il progetto si pone quindi come obbiettivi lo studio approfondito dei flussi di potenza a bordo vettura e l'implementazione di strategie di regolazione che consentano di ottimizzare la gestione di generatori e utilizzatore e la progettazione di accessori elettrificati che riescano a garantire le prestazioni desiderate minimizzando i consumi. La disponibilità di sistemi elettrici ed elettronici efficienti e a costi accettabili ha motivato da più di un decennio la tendenza nel settore automotive all'elettrificazione di molte funzioni. La spinta maggiore in questa direzione è data dalla necessità di ridurre consumi ed emissioni. Poiché gli accessori elettrici possono essere attivati solo quando necessari, essi danno un vantaggio energetico intrinseco rispetto a quelli meccanici.
A ciò si deve aggiungere anche la loro facile controllabilità e i rendimenti elevati. Questi fattori motivano il graduale passaggio da accessori puramente meccanici o idraulici verso accessori elettrici. La tendenza alla maggiore elettrificazione porta a prefigurare nel progetto una nuova architettura di veicolo ibrido in cui il motore termico è affiancato da un insieme di sistemi elettrici che in parte assicurano il funzionamento del motore o del veicolo (accessori), in parte si occupano del recupero dell'energia e della sua gestione (turbo elettrico sviluppato nel progetto 2, motori elettrici di trazione).
In questo modo il veicolo diventa un sistema energetico complesso che deve decidere in ogni istante quali sistemi attivare, al fine di massimizzare il rendimento globale e preservando la vita del pacco batterie. Il progetto si pone quindi come obbiettivi lo studio approfondito dei flussi di potenza a bordo vettura e l'implementazione di strategie di regolazione che consentano di ottimizzare la gestione di generatori e utilizzatore e la progettazione di accessori elettrificati che riescano a garantire le prestazioni desiderate minimizzando i consumi.
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