Ldb RepubliCar Eletric_01

Republicar Electric
indipendenza energetica con un kit
Ing. Davide Tarsitano, Ph.D.
Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Milano
Via G. La Masa 1, 20156 Milano
Tel. 02 2399 8378 - Fax 02 2399 8492
e-mail davide.tarsitano@polimi.it

Ing. Davide Tarsitano
Some of ‘‘my’’ prototype 2

Indice
1. Tipologie di veicoli ibridi / elettrici
2. Criteri per il dimensionamento del sistema di accumulo
3. Modelli di simulazione per il dimensionamento del power
train/accumulo
4. Sistemi di monitoraggio per le batterie da trazione
5. Sitemi di ricarica standardizzati
6. Kit ibrido bimodale
3

4
Conventional vehicles
• Consolidated technology
• Held down costs
• Use up hydrocarbons
• Polluting emissions
• Low efficiency 25-30 %
• Gear box and clutch

5
Electrical Vehicle
• Fuel tank
replaced by:
Battery
• ICE, Clutch/Gear box
replaced by:
Power electronic
converter and electric
motor

6
Electrical vehicle: Power train architecture
• Plug In Battery charger on
board
• Battery
• Electronic power converter
• Fixed gear ratio transimssion

7
Electrical vehicles: Advantages and Disadvantages
Advantages:
• No clutch / gear box
• Energy recovery with regenerative brake
• High efficiency on energy conversion
• Zero emissions in use
• Silent operation
• Simplified maintenance
Disadvantages:
• Restricted electrical range (120-160 km).
• Performance(140 km/h max. speed).
• Conventional electrical recharging times (4-7 h)
• Fast charging time: 40 minutes with double battery
charger
• High costs still remain
• Sustainable costs only with money incentives

8Different configurations of Hybrid vehicles
Hybrid vehicles have different typologies and configurations:
Micro Hybrids
Mild Hybrids
Full hybrids
Plug-in Hybrids
Extended Range Electric Vehicles (EREV)
Differences:
• Ratio between electric motor power and ICE power (DOH)
• Ratio of stored energy between fuel tank and electrochemical battery
• Configurations of mechanical and electrical connections between
motors, according to parallel or series typologies

9Series Hybrid vehicle
• Electric Motor and Thermal Engine are connected “electrically”.
• Only the electric motors is couplet to the wheels.
• Is an electric vesicle plus a moto-generator.
• This architecture is adopted in railway and large vehicles.
• For automotive is used as a “range-extender”.

10
Parallel Hybrid Vehicles
• Motors are “mechanically” connected
• Both motors co-operate giving power to the wheel
• Adopted solution in automotive applications

11
Motor
Generator
Starter
Classical
Mild and Full hybrid
Plug In/
Bimodale
Start & Stop
Micro hybrid
El
ICE
P
DOH
P
= Power ratio between Electric motor and ICE
Hybrid vehicle: different degrees of hybridization
AER All Electric Range
DOH Medium Medium-High Low
AER Low (1-5km) Medium (20-40 km) Nothing

12
Innovative vehicle architecture
• Integratio of thermal motor and generator
• No mechanical transmissione
(Power By Wire)
• Independent hub motor wheel
• On board battery charger (Plug-In)
• 4 independant steering
wheels (drive by wire)
• Active suspension with
energy harvesting
system
• Solar Panel
• Dynamic and stability
vehicle control

13Hybrid:
Electric motor and ICE Efficiency maps
1000 2000 3000 4000 5000 6000
0
20
40
60
80
100
0.05
0.1 0.1
0.15 0.15
0.2
0.2
0.225
0.225
0.25
0.25
0.275
0.275
0.3
0.3
0.31
0.31
0.32
Coppia[Nm]
rpm
Motore endotermico
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
-60
-40
-20
0
20
40
60
0.7
0.7
0.7
0.7
0.85
0.85
0.85
0.85
0.9
0.9
0.93
0.93
rpm
Coppia[Nm]
Motore Elettrico
Electric motor has an efficiency over 70%
throughout the operation field
Conventional vehicle
Hybrid vehicle
Working Zone ICE

14
Vehicles performance comparison (City Car)
Vehicle
Efficiency
(tank to
wheel)
[%]
Emission
CO2
[gr/km]
Energy from
fossil fuel
[MJ/km]
Energy cost
[€/100km]
Notes
Gasoline vehicle 28 159 0,56 8,2
Conventional Hybrid
vehicle 40,5 111 0,38 5,64
Electrical Energy
produced on board
Electric
(energy from fossil
fuel)
35 81-140 0,51 3.5
Delocaziation of
pollutant emission
Electric
(energy from
renewable )
85 0 0 3.5 Zero emission
Electric
(EU Mix) *
-- 43 0,27 3.5
Reduction and
delocalizzation of emission
Plug in HEV
(EU Mix)*
-- 95 0,32 4,9 (use in all electric for city )
* Average EU enegy productio mix (27% nuclear, 20% renewable, 53% fossil).

Indice
train/accumulo
15

16Riepilogo Complessivo

17Differenti tipi di accumulatori

18Esempi di utilizzo nel settore della trazione
automobilistica

Criteri per il dimensionamento 19
Tramite il segnale gps e una applicazione per cellulare è possibile
acquisire il profilo di velocità e la pendenza affrontata dal mezzo stando
a bordo dello stesso.
Nei grafici viene visualizzato un tratto di linea di un filobus a Milano.
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
105
110
115
120
125
130
Distance (m)
Altitude(m)
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0
10
20
30
40
50
60
time [s]
Speed(kph)

Criteri per il dimensionamento
Le prestazioni del mezzo sono ricavabili tramite l’equazione della
dinamica longitudinale
20
21
cos sin
2
res v x rel
mot res eq
F mgf mg C Sv
F F M a
α α ρ= + +
− =

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tempo [sec]
Velocità[km/h]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-1
0
1
Tempo [sec]
Acc[m/sec2
]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
10
20
Tempo [sec]
Vel[m/sec]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
1
2
Tempo [sec]
Spos[km]
0 50 100 150 200
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
Tempo [sec]
Forze[N]
Finerzia
F
attr-volv
F
aero
F
gravit

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
Tempo [sec]
Energiacumulata[kWh]
PotBatteriaNoRec
PotVeicolo
PotBatteria
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Tempo [sec]
Potenzaistantanea[kW]
PotBatteriaNoRec
PotVeicolo
PotBatteria

Criteri per il dimensionamento
Se il mezzo è di tipo ibrido
23
mot res eq
EMw ICEw
mot
w
F F M a
T T
F
r
− =
+
=
Per il dimensionamento
del sistema di accumulo
di bordo è necessario
legare il modello di
simulazione all’algoritmo
per la ripartizione di
coppia fra i due
propulsori.

Indice
train/accumulo
24

Power train modeling 25

V vehicle model,
GB gear box,
PC power converter,
B battery pack,
FT fuel tank,
AL auxiliary loads block,
v, a vehicle’s speed and acceleration,
f vehicle traction force,
W angular speed,
TICE and TEM ICE and the EM torques,
fc is the fuel consumption,
I and Vs are the electrical motor current and voltage,
ibatt and Vbatt are the battery current and voltage,

Power train modeling - battery 28

Power train modeling - PMSM 29

Power train modeling - ICE 30

Indice
train/accumulo
31

BMS – balancing methods 33

BMS – module to cell balancing 34

Indice
train/accumulo
37

Sistemi di ricarica 40

Sistemi di ricarica
Modo 1
41
da presa di corrente domestica
fino a 16 A o industriale fino a
16 A, 230 V senza circuito
pilota di controllo

Sistemi di ricarica
Modo 2
42
da presa di corrente domestica
fino a 16 a o industriale fino a
32 A, 230 V con circuito
pilota di controllo (e sistema
PWM) integrato nel cavo di
alimentazione del veicolo.

Sistemi di ricarica
Modo 3
43
da stazione con prese di corrente dedicate (secondo
norma CEI EN 62196-1 e 2) fino a 63 A 400 V e
circuito pilota di controllo (e sistema PWM) integrato.
I veicoli sprovvisti di comunicazione con la stazione
possono caricarsi in modo 3 semplificato
limitatamente a 16A 230V.

Sistemi di ricarica
Modo 4
44
(ricarica in Corrente continua) da stazione con
connettore dedicato (p.e. CHADEMO) con
corrente fino a 125 A 400 V c.c.
Teoricamente 50kW.
Al distributore di benzina
50 31
2,5
600
MJ
l
l MW
s
=

Sistemi di ricarica – Prese Standardizzate 45

Sistemi di ricarica – Prese Standardizzate 46

Indice
train/accumulo
1. Fasi della ricerca
2. Allestimento veicolo prototipale
3. Verifica prestazioni/consumi
47

48
• Affiancamento al tradizionale motore endotermico di un
sistema di trazione elettrico alimentato da batteria
• Possibili modalità della propulsione risultante:
Funzionamento in puro endotermico con piene prestazioni.
Funzionamento in puro elettrico con prestazioni ridotte e zero
emissioni (vel. Max. 75 km/h autonomia 30 km ciclo ECE urbano).
Funzionamento bimodale: il motore endotermico funziona al minimo
alimentando tutti i sistemi ausiliari (condizionamento, luci, ecc.)
mentre la trazione è delegata al motore elettrico con le prestazioni
del punto precedente.
Funzionamento ibrido parallelo (entrambi i motori attivi) con
riduzione consumi ed emissioni e recupero di energia in frenatura
operata anche in elettrico. In questa modalità è anche possibile, a
prestazioni di marcia complessive ridotte, ricaricare la batteria.
1. Obiettivi della ricerca

49
• Individuazione del veicolo più adatto per l’allestimento di un
veicolo bimodale prototipale.
• Implementazione modello energetico per il dimensionamento
dei componenti elettrici e per la verifica delle prestazioni.
• Reperimento componentistica sul mercato e realizzazione
oggetti ad hoc (batterie, trasmissione, elettronica di controllo
etc, etc. ).
• Studio e progettazione sistema di controllo e coordinamento
del propulsore ibrido parallelo risultante e gestione energetica di
bordo.
• Studio e progettazione della trasmissione meccanica per
l’azionamento elettrico da integrare con il gruppo cambio-
trasmissione esistente.
2. Fasi della ricerca

50
Si sono analizzate le seguenti vetture FIAT
Panda 1.1
Automobile molto leggera
Mancanza di spazio libero nel cofano motore per
l’aggiunta delle componenti necessarie alla trazione
elettrica (motore elettrico, trasmissione, ecc).
Idea 1.2
Sufficiente spazio libero nel cofano motore
Il peso più elevato rispetto alle altre, è una condizione
sfavorevole all’obbiettivo da raggiungere.
Grande Punto 1.2
Miglior compromesso fra peso e spazio libero nel
cofano motore.
2. Fasi della ricerca - Individuazione veicolo

512. Fasi della ricerca - Individuazione veicolo
Grande Punto 1.2
Si è scelto di utilizzare questa vettura perché rappresenta il miglior
compromesso fra peso e spazio libero nel cofano motore.

522. Fasi della ricerca - Modello energetico
MODELLO
GLOBALE
Batterie
Azionamento
elettrico
Modello
veicolo
Modello
Trasmissione

* Dalle simulazioni basate sul ciclo ECE
urbano si ricavano le informazioni
relative ai dati di dimensionamento
dell’azionamento elettrico:
Velocità, coppia, potenza etc. etc.
Il ciclo ECE corrisponde alla situazione
di giuda in che si può riscontrare in città.
Esso è normalizzato ed utilizzato dalle case
automobilistiche per il calcolo dei consumi.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Ciclo ECE
Time [s]
Velocità[km/h]
Riferimento
Effettiva
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-100
-50
0
50
100
Ciclo ECE
Time [s]
Coppiaerogatadalmotore[Nm]
Teff
= 31.5 Nm
Erogata
Max Erogabile

Motore
15 kW
Motore
12 kW
Motore
10 kW
10,0 0,00 0,00 0,00
12,0 11,83 9,33 10,67
14,0 23,57 18,60 21,25
16,0 35,18 27,79 31,74
18,0 46,62 36,87 41,77
20,0 56,65 45,81 48,79
22,0 63,64 54,08 53,89
24,0 68,91 60,19 57,89
26,0 70,00 64,92 61,16
28,0 70,00 68,76 63,92
30,0 70,00 69,62 66,27
32,0 70,00 70,00 68,31
34,0 70,00 70,00 69,69
36,0 70,00 70,00 70,00
38,0 70,00 70,00 70,00
Velocità [km/h]
Tempi [s]
5 10 15 20 25 30 35 40
0
10
20
30
40
50
60
70
Lancio a 70 km/h
Time [s]
Velocità[km/h]
Rif
12 kW
15 kW
10 kW
• Si sono verificate le prestazioni di accelerazione con 3 possibili motorizzazioni.
• Un azionamento elettrico da 10 kW è sufficiente per le prestazioni richieste.

Verificati gli ingombri motore 10 kW a 12000 rpm con l’ausilio di modelli in
cartone aventi le dimensioni dei componenti elettrici da aggiungere.
La posizione scelta è anteriormente
alla scatola del cambio

562. Fasi della ricerca - Trasm. Meccanica
Acquisizione mediante scanner ottico della forma del frontale vettura

Energia per 30 km con fr. Elettrica
Energia per 30 km con fr. Meccanica
9,6totE kWh=
10,4totE kWh=
Dimensionamento batterie
• Dalle simulazioni si sono calcolati i
valori di energia e potenza delle
batterie necessari per garantire le
prestazioni.
• Si sono considerati 3kW di potenza
per tutti i servizi ausiliari
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Time [s]
Potenzaerogatadallebatterie[kW] Ciclo ECE
Pmax
= 24.9 kW
Pmax
= 27.9 kW
Senza aux
Con aux
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Ciclo ECE
Time [s]
Energiaerogatadallebatterie[kWh]
Efr-elet
= 320 Wh/km
Efr-mecc
= 349 Wh/km
Fren Elettrica
Fren Meccanica

582. Fasi della ricerca - Componentistica
Batterie
Soluzione Litio-Ioni - Thunder Sky-
Realizzazione del pacco di batterie con elettronica di controllo e di ricarica speciale
Prezzo e tempistica di consegna accettabili
Peso e ingombro accettabile (circa 100 kg)
Zebra Mes-Dea
Caricabatteria compreso e adatto alla batteria
Peso al limite dell’accettabilità 180 kg, volume 800x530x290mm
Batteria standard di immediata consegna
Soluzione Litio - Ioni Saft
Costo elevato (decine di migliaia di euro)
Fornitura di pacco batterie formato di elettronica e carica batterie
Tempistica di sviluppo e fornitura incompatibile con il 31-10-06’
Peso (minore di 80 Kg) e ingombri ottimali
Soluzione Piombo
Pesi e ingombri elevati (300 kg)
Costi ridotti, Carica Batterie Standard da adattare semplicemente
Soluzione Ni-Cd Saft
Prezzi abbordabili (migliaia di euro)
Pesi e ingombri elevati (220 kg)

Numero di celle 60
Tensione Nominale [V] 216
Massa totale elementi [kg] 96
Volume totale elementi [dm^3] 61
Energia totale disponibile [kWh] 11
Potenza totale teorica [kW] 32
Dopo un’attenta valutazione, il
pacco batteria offerto dalla
Thunder Sky è risultato il più
leggero fra quelli disponibili
entro i limiti temporali del
progetto.

Pompe, radiatori, ventole, …

Schema generale
impianto elettrico

622. Fasi della ricerca - Controllo e Coordinam.

63
Si è deciso di inserirsi sull’albero secondario del cambio all’altezza
delle ruote dentate della 5^ marcia dopo la rimozione di esse e del
rispettivo selettore.

• Trasmissione a ruote dentate: è risultata incompatibile con i tempi
realizzativi a disposizione.
• Trasmissione a catena: non garantisce il funzionamento ai massimi
regimi di rotazione del motore elettrico.
• Trasmissione a cinghia trapezoidale: incapace di trasmettere la
coppia erogata dal motore elettrico.
• Trasmissione a cinghia dentata: è stata scelta perché è l’unica che
garantisce le prestazioni desiderate
TRASMISSIONE

La fase progettuale è stata supportata da una modellazione 3D per una
migliore valutazione degli ingombri e delle difficoltà realizzative.

662. Prototipo - Installazione Trasmissione
Verifica montaggio al banco

Installazione sul cambio
dell’automobile.

68
Il gruppo motore
elettrico – trasmissione consente
il flusso bi-direzionale di potenza.

693. Prototipo - Impianto elettrico
Batterie al litio
DC/DC
converter
TeleruttoreInverter
Relé

703. Prototipo - Messa a punto
Alcuni parametri dell’inverter sono
resi gestibili tramite software di
configurazione.
Stato azionamento
(ingressi e uscite logiche)

713. Prototipo – Interfaccia impianto esistente
Impianto frenante:
Scollegato definitivamente il master cilynder.
Utilizzo depressore elettrico.
Impianto ABS:
Il sistema entra in funzione quando la tensione
della batteria è pari a 13,5 V (batteria in carica).
Motore endotermico:
Nel caso debba essere spento si toglie l’alimentazione necessaria
all’attuazione e l’afflusso di combustibile.
Ricarica batteria 12 V:
Gestita tramite DC/DC converter – alternatore.
Tutti i sistemi di bordo (freni, abs, servosterzo, …) devono
funzionare anche a motore endotermico spento.

Servosterzo (Guida elettrica).
L’abilitazione all’assorbimento di potenza viene fornita dal Body Computer
su rete CAN solamente se il motore comunica, sempre su rete CAN, il
corretto funzionamento.
CAN: Controller Area Network
CAN è un bus di comunicazione seriale, progettato per applicazioni real-
time e nato in ambito veicolare (BOSCH 1986). Consente la comunicazione
tra controllori, sensori ed attuatori con velocità fino a 1Mbit/sec.
• bassi costi di progettazione e implementazione;
• operatività in condizioni critiche (veicolari e industriali);
• facilità di configurazione e modifica;
• rilevamento automatico degli errori e autodiagnostica;
• si usa un doppino differenziale a due conduttori detti CAN L e CAN H;
• per la correzione degli errori, ogni messaggio viene ritrasmesso fino a che
tutti i riceventi (e quindi il bus) non segnalano alcun errore.

CAN: Controller Area Network
Ogni nodo “ascolta” tutto il traffico e filtra, elaborandoli, solo i messaggi di suo
interesse.
www.can-cia.org

744. Verifica prestazioni
La vettura è stata provata su strada all’interno del piazzale del Politecnico.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Velocità[km/h]
Time [s]
Prestazioni veicolo
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Spazio[km]

754. Verifica prestazioni - Misure elettriche
0 100 200 300 400 500 600
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
Velocità[km/h]
Time [s]
0 100 200 300 400 500 600
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Spazio[km]
Prestazioni veicolo
0 100 200 300 400 500 600
-50
0
50
100
150
200
250
Time [s]
Grandezze batteria
Ieff-Batt
= 31.99 A
Vbatt
[V]
Ibatt
[A]
I
dc/dc
[A]
0 100 200 300 400 500 600
47
48
49
50
51
52
53
54
55
Time [s]
Temperature[°C]
Temperature
Thmot
[°C]
Thinv
[°C]
0 100 200 300 400 500 600
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Time [s]
Potenza[kW]
Bilancio Potenze Inverter
P
in
Pout
P
aux

76
Experimentaldata
Simulateddata
• The comparison between experimental
and simulated electrical speed drive
cycle is showed: the driver model is
validated (full electric mode)
Battery Model Validation
• A suburban drive cycle has been
adopted in order to validate electrical
component models in their full
operating range.
4. Experimental validation of the mode

77
Motor current Is Motor voltage Vs
• The suburban drive cycle has been adopted in order to validate
induction motor energetic model too.
• It has also been performed a validation of the inverter efficiency, with
a particular attention referred to the losses due to semiconductor
power electronic components.
4. Experimental validation of the model

Stato Attuale del Veicolo 79

81
Grazie per l’attenzione
Ing. Davide Tarsitano, Ph.D.
Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Milano
Via G. La Masa 1, 20156 Milano
Tel. 02 2399 8378 - Fax 02 2399 8492
e-mail davide.tarsitano@polimi.it

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