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Seconda parte - Architetture MHEV (Mild Hybrid Electric Vehicle) a confronto

Pubblichiamo la seconda parte dell'interessantissimo articolo della scorsa settimana!


Architetture MHEV

I veicoli MHEV sono veicoli ad ibridizzazione leggera: le batterie non sono ricaricabili da fonti esterne (colonnine di ricarica) e l’EM installato funziona da ausilio al powertrain tradizionale.

Il compito principale dell’EM è quindi migliorare il rendimento meccanico complessivo dell’ICE, penalizzato dalle perdite di potenza dovute ai trascinamenti in fase di “start”/aria condizionata, attraverso sistemi BSG (Belt Start Generator).

Le architetture MHEV sono 5: P0, P1, P2, P3 e P4 e si distinguono sostanzialmente in base alla posizione di connessione della macchina elettrica al motore ICE.




Descrizione


P0 - Motore elettrico connesso con ICE tramite cinghia.


P1 - Motore elettrico connesso con ICE direttamente sull'albero a gomiti.


P2 - Motore elettrico posizionato tra ICE ed ingresso del blocco del cambio (TRN) e connesso al TRN tramite cinghia. Come si può notare, rispetto P0 e P1 è possibile disaccoppiare il motore elettrico poiché posto a valle del sistema frizione volano.


P3 - Motore elettrico connesso al blocco cambio (TRN) tramite ruota dentata e posizionato a valle del gruppo cambio. Anche in questo caso è possibile disaccoppiare il motore elettrico da ICE.


P4 - Motore elettrico connesso direttamente all'assale adibito alla trazione.



P0

È il sistema più semplice che aiuta l’avviamento veicolo (Starter).




Il motore elettrico (EM) alimentato dalla batteria a 48 V permette di aiutare l’avviamento del veicolo, grazie ad un massimo valore di coppia motrice di 50 Nm.

Rimane l’ausilio del sistema a 12 V tradizionale poiché l’operazione di accensione del veicolo è la più dispendiosa dal punto di vista energetico.


A fronte della semplicità di integrazione del sistema negli attuali veicoli, questo sistema presenta tre principali svantaggi:

- Essendo collegato a monte dell’ICE, l’EM dovrà comunque “trascinare” gli organi meccanici e quindi ha potenzialità limitate.

- Il collegamento con l’ICE è tramite cinghia e quindi la trasmissione di coppia è limitata dallo slittamento della stessa.


Non è mai possibile viaggiare in modalità completamente elettrica (BEV).


P1

E’ esattamente l’architettura P0 con la differenza che il collegamento dell’EM all’ICE avviene attraverso ruote dentate.

È evidente il guadagno in termini di coppia motrice trasmessa per aiutare l’avviamento veicolo (non c’è slittamento come con la cinghia).

Di contro presenta maggiori costi di integrazione negli attuali veicoli ed anche in questo caso non è mai possibile viaggiare in modalità completamente elettrica (BEV).


P2

P0 e P1 sono sempre in presa diretta con il motore poiché si trovano a monte della frizione.

L’architettura P2 permette il disaccoppiamento del motore elettrico (EM) dall’ICE grazie al suo posizionamento all’albero ingresso del blocco del cambio.

Inoltre l’EM può essere collegato tramite cinghia o ruota dentata (a seconda del costo che il costruttore è disponibile ad investire) e non deve sopperire ai trascinamenti degli organi motore in fase di avviamento.




Ma qual è il beneficio di questa architettura? E’ l’incremento di coppia e potenza che l’EM fornisce all’ICE, aiutando quindi il motore convenzionale nelle fasi a carico parziale o nelle riprese quando si spinge il pedale dell’acceleratore.

Inoltre, caratteristica chiave, è la possibilità di veleggiare, ovvero procedere in completa alimentazione “full electric” per alcuni chilometri.

Una volta esaurita la carica della batteria a 48 V, durante le fasi di frenata rigenerativa l’EM funziona da alternatore e carica la batteria a 48 V per rendere disponibile il veleggio alla successiva richiesta.

Come si vede però dall’immagine, a causa del suo posizionamento, con l’architettura P2 con un solo EM non è possibile avere la funzione di BSG. La frizione disaccoppia i sistemi.

Ed ecco quindi il principale svantaggio: è necessario l’installazione di un altro EM montato come nelle configurazioni P0 o P1.

Il P2 in complesso è un buon compromesso per incremento coppia/potenza del veicolo nelle fasi di vuoto, dove l’ICE andrebbe in difficoltà e permetta la percorrenza di alcuni chilometri in modalità “full electric”.

Porta però con se un maggior numero di componenti ed un maggior costo di integrazione.


P3 e P4

Il principio di funzionamento è pari a quello del P2, la differenza è la posizione di montaggio dell’EM.

Il P3 è collegato con l’albero secondario (di uscita) del gruppo cambio mentre il P4 possiamo immaginarlo direttamente all’uscita della scatola del differenziale.




Sia P3 che P4 sono collegati tramite ruote dentate (non si verifica slippage nel trasferimento di coppia), sono esenti dal dover compensare i trascinamenti o le perdite di potenza a causa degli attriti della catena cinematica di trasmissione e permettono l’uso del veicolo in modalità veleggio per diversi chilometri.

In termini di coppia motrice e potenza il loro effetto si combina con l’ICE garantendo un “boost” elevato poiché posizionato a valle del cambio.

Il termine combina è utilizzato con cognizione di causa perché la potenza dell’EM con l’ICE non si somma algebricamente, per ovvi motivi meccanici di perdita di rendimento di accoppiamento di due sistemi.

I contro? Il costo molto elevato.


Conclusioni

Il dubbio che sorge è se le configurazioni viste, dalla P0 alla P4 possano coesistere.

Ebbene si, i costruttori stanno iniziando a combinare le architetture per ottenere l’ottimo in termini di prestazioni e consumi.

Ad esempio architettura P4 anteriore, P2 posteriore e EM per funzione BSG o architettura P0 anteriore e P3 posteriore sono in produzione.

Siamo quindi al punto di partenza per raggiungere il target del 2050 in termini di uso di fonti rinnovabili, abbattimento delle emissioni e riduzione del consumo di petrolio.





#Eng4

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