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Architetture MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle) a confronto

Aggiornato il: mag 5

Introduciamo, nel nostro Blog, un articolo suddiviso, in due pubblicazioni, sulle architetture MHEV ormai attuali e sempre più utilizzate in campo Automotive/Motorsport.


Prima parte


Le fonti energetiche:

Fonte: Sole24Ore


Nel 2019 il petrolio ed i carbon fossili sono le principali fonti di produzione di energia nel mondo, essi infatti soddisfano, fatto il 100%, il 60% del fabbisogno. La fetta minore spetta alle fonti rinnovabili con il 40%. La previsione mondiale entro il 2050 è quella di invertire questo trend, sia a causa della natura limitata delle risorse sia per contenere gli effetti dell’inquinamento.

Il petrolio però è il bene più discusso, vittima, in questo periodo di emergenza dovuta al COVID19, di variazioni di prezzo al barile che lo fanno oscillare tra bene primario e bene superfluo se i paesi dell’OPEC non trovano un accordo per il taglio della produzione.

L’aspetto economico non è il focus di questo articolo ma l’introduzione vuole fare presente che ancora ad oggi, se azzerassimo la risorsa petrolio, le nostre autovetture utilitarie o sportive che siano rimarrebbero quasi tutte parcheggiate.

Da qualche anno, quindi, gli ingegneri stanno introducendo l’ausilio di macchine elettriche al powertrain tradizionale dei veicoli stradali per cercare di ottimizzare l’attuale rendimento complessivo dei motori a combustione interna (circa il 37%) e per cercare di raggiungere, nel 2050, i valori di uso di combustibili fossili presentati all’inizio.

Il nostro aiuto di cittadini, agli ingegneri, è quello di andare a rinnovare gradualmente il parco auto circolante per arrivare ad avere in strada veicoli che siano almeno Euro6.

Il marketing bombarda l’utente finale con acronimi di nuove feature, valori di emissioni di CO2 ed emissioni rilevati durante i cicli WLTP/NEDEC e nei casi più ricercati anche di Cx ­: sono molteplici valori che non aiutano l’utente all’acquisto della vettura.

Merita una approfondimento il Cx perché spesso è usato come cavallo di battaglia dai pubblicitari: non è un valore assoluto: senza il riferimento della superficie [m2] a cui è riferito, l’informazione è nulla.

Cercando nel web è facile trovare un autobus (Mercedes Turismo, Cx = 0,33) con quasi il pari coefficiente aerodinamico di una BMW serie 3 (BMW serie 3 MY 2013, Cx = 0,27).

Provando a moltiplicare questi valori per le rispettive superfici del lunotto, i risultati parlano da soli.


Dalla F1 alla MHEV


L’attuale evoluzione di ibridizzazione o completa elettrificazione dei veicoli stradali è nata come tutte le evoluzioni ingegneristiche: migliaia di ore di R&D (SW, FW), Applicazione (Banchi motore, Celle climatiche, Banchi a rulli) e prove su strada.

Il motorsport è usato, da gergo automobilistico, come “flotta chilometrica” cioè come prima vera applicazione stressante su strada.

La Formula 1 grazie ai migliaia di chilometri fatti da Ferrari, McLaren e altri costruttori ha dimostrato che l’elettrificazione funziona anche in condizioni estreme, migliora il rendimento complessivo ed è sostenibile.

Prendiamo per esempio il Kers, il sistema di recupero dell’energia cinetica in fase di frenata. Portare questo o altri sistemi pensati per piloti di F1 su vetture stradali come la Panda avrebbe potuto limitarne la diffusione (non me ne vogliano i possessori del più grande veicolo 4x4 mai costruito) a causa dei molteplici controlli e regolazioni “umane” da effettuare.

Il sistema è stato migliorato negli anni, semplificato ed oggi la sua naturale evoluzione è il sistema MGU (Motor Generator Unit) che equipaggia molte vetture stradali.


Fonte: Formula1.com


Grazie agli sviluppi sono nate quindi diverse tipologie di veicolo hybrid/full electric con minore efficienza rispetto alla F1 (e costi minori) ma completamente automatizzate e fruibili in larga scala:

- MHEV = Mild Hybrid Electric Vehicle

- PHEV = Plug-in Electric Vehicle

- BEV = Battery Electric Vehicle

In questo articolo trattiamo la tipologia MHEV. Seguiranno in altri due articoli le analisi di PHEV ed infine BEV.


Componenti MHEV


I sistemi ovviamente sono complessi, costituti da numerosi componenti, regolati da elettroniche di controllo. Basti pensare che lo stesso segnale è in PWM (Pulse Width Modulation) cioè una serie di impulsi regolati in larghezza.

Quello che gli ingegneri hanno fatto e stanno facendo è unire i diversi componenti per poterne permettere il dialogo e costituire un nuovo “sistema”.


I principali componenti sono:

- Motore elettrico o macchina elettrica (EM) = è un motore elettrico trifase, costituito da uno statore ed un rotore. Parliamo di motori trifase con magneti permanenti (posti dentro una gabbia formano lo statore) che generano un campo magnetico che mette in rotazione il rotore. Il campo magnetico è generato dall’alimentazione in corrente AC dei magneti permanenti.

Se il rotore gira sincrono con la velocità del campo magnetico, parliamo di motore sincrono trifase, se gira con velocità minore parliamo di motore asincrono.

- Inverter = la principale funzione è quella di conversione DC/AC ma anche di regolazione di velocità per i motori elettrici.

- DC/DC converter = regolatore e stabilizzatore di tensione a causa della co-esistenza della batteria a 12 V e 48 V

Noti ora i componenti, un sistema MHEV funziona con la tensione di bordo di 48 V erogata da una seconda batteria (pari potenza ma con valori di corrente minori dei sistemi a 12 V e questo è facile capirlo da P [W] = V [V] x I [A]).

La tradizionale batteria a 12 V rimane ed alimenta quadro di bordo, sistema antifurto/localizzazione, etc. Il voltaggio delle due batterie è “raccordato” dal DC/DC converter.

Esempio sistema 48V


(*) ICE =Internal Combustion Engine


Fine Prima parte


#Eng4

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