Progettazione di un veicolo elettrico innovativo per la mobilità urbana

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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI UDINE
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Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea specialistica in Ingegneria dell’Innovazione Industriale
Tesi di Laurea
Progettazione di un veicolo elettrico
innovativo per la mobilità urbana
Relatore:
Prof. A. GASPARETTO
Laureando:
SIMONE PELLEGRINI
Correlatori:
Ing. D. BAGGIO
Ing. R. PETRELLA
Ing. V. ZANOTTO
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Anno Accademico 2008-2009
Sommario
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Sommario
AmbienTAXI è un taxi elettrico nato tra i banchi di scuola il cui obiettivo è
quello di rivoluzionare il sistema di trasporto cittadino; il suo concepimento
è basato su due aspetti principali: Zero emissioni e Comfort a bordo.
Un progetto ambizioso ma fortemente incentivato dalla convinzione di tre
giovani studenti che, complice forse la loro incoscienza, lo vogliono far
crescere giorno dopo giorno.
La trattazione inizia ripercorrendo quelle che sono state le prime fasi del
progetto, dall’elenco delle innovazioni pensate, alla disamina di quella che
potrebbe diventare una vera e propria start up aziendale.
Nei capitoli successivi si fa una panoramica delle tecnologie attualmente
disponibili per quanto riguarda i sistemi di accumulo dell’energia e i
sistemi di propulsione elettrica.
Dopo l’analisi dello stato dell’arte di alcune vetture in commercio, ci si
addentra nella fase progettuale vera e propria nella quale, per mezzo di
simulazioni al calcolatore, vengono determinate le specifiche di progetto di
propulsori e pacco batterie.
L’elaborato si conclude con la stima del consumo urbano di AmbienTAXI,
seguita da una valutazione di tipo economico sull’effettiva convenienza
della propulsione elettrica rispetto a quella tradizionale ed ibrida.
AmbienTAXI è un’idea di
Ing. Francesco Vaccher
Ing. Simone Pellegrini
Ing. Michele Lacovig
Ing. Simone Pellegrini – Università degli Studi di Udine
1
Sommario
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Indice
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Indice
Sommario......................................................................................................1
Indice.............................................................................................................3
Elenco delle figure........................................................................................7
Elenco delle tabelle.....................................................................................11
Introduzione................................................................................................13
CAPITOLO 1. “AmbienTAXI” – il taxi elettrico......................................17
1.1 – Le motivazioni di tale scelta...............................................................17
1.2 – Descrizione del prodotto....................................................................18
1.2.1 – Innovazioni sul design e sulla forma.....................................18
1.2.2 – Innovazioni sui propulsori e sulla tecnologia a bordo...........20
1.3 – Analisi di mercato..............................................................................23
1.3.1 – Caratteristiche del mercato e analisi della domanda.............23
1.3.2 – Esigenze dei tassisti..............................................................23
1.3.3 – Dimensione del mercato italiano...........................................24
1.3.4 – Segmentazione del mercato italiano......................................25
1.3.5 – Target da soddisfare..............................................................26
1.3.6 – Valore del mercato italiano...................................................27
1.3.7 – Situazione del mercato mondiale..........................................28
1.3.8 – Prospettive future..................................................................28
1.4 – Analisi dell’ambiente competitivo.....................................................28
1.4.1 – Analisi della concorrenza......................................................28
3
Indice
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1.4.2 – Analisi delle soluzioni adottate precedentemente
da altri................................................................................................30
1.4.3 – Analisi del vantaggio competitivo del prodotto
e dei suoi punti deboli.......................................................................31
1.5 – Strategia di marketing........................................................................33
1.5.1 – SWOT analysis......................................................................33
1.5.2 – Il marketing mix....................................................................34
1.6 – Assetto organizzativo: il sistema del valore.......................................35
CAPITOLO 2. Sistemi di accumulo dell’energia......................................39
2.1 – Celle elettrochimiche..........................................................................39
2.1.1 – Principio di funzionamento: la pila Daniell..........................39
2.1.2 – Definizione di pila ed accumulatore......................................41
2.1.3 – Dati di targa delle celle elettrochimiche................................41
2.1.4 – Tipologie di accumulatori esistenti.......................................42
2.2 – Ultracapacitors....................................................................................51
2.3 – Batterie a volano.................................................................................54
2.3.1 – Descrizione del dispositivo...................................................54
2.3.2 – Inconvenienti e sicurezza delle batterie a volano..................55
2.3.3 – Applicazioni veicolistiche delle batterie a volano.................56
CAPITOLO 3. Sistema di propulsione elettrico e frenatura
rigenerativa.................................................................................................57
3.1 – Caratteristiche del sistema di produzione della potenza....................57
3.2 – Sistema elettrico di propulsione.........................................................61
3.2.1 – Direct current motor (DCM).................................................62
3.2.2 – Induction motor (IM)............................................................64
3.2.3 – Permanent magnet synchronous motor (PMSM)..................65
3.2.3.1 – PMSM - SPM...........................................................65
3.2.3.2 – PMSM - IPM............................................................66
3.2.3.3 – Vantaggi dei motori sincroni a magneti
permanenti...............................................................................67
3.2.3.4 – Azionamenti brush-less............................................68
3.2.3.5 – Tendenze attuali nelle applicazioni per
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trazione....................................................................................69
3.2.4 – Variable reluctance motor (VRM)........................................71
3.3 – Frenatura rigenerativa.........................................................................72
CAPITOLO 4. Sistemi di propulsione e di accumulo su alcune
vetture elettriche in commercio: stato dell’arte.........................................73
CAPITOLO 5. Progetto del sistema di propulsione e di accumulo..........79
5.1 – Determinazione delle specifiche di progetto......................................79
5.2 – Studio della dinamica longitudinale e dimensionamento del
sistema di accumulo di AmbienTAXI...........................................................83
5.2.1 – Dinamica longitudinale del veicolo.......................................83
5.2.2 – Teoria di dimensionamento del sistema di accumulo...........87
5.2.3 – Progetto e simulazione..........................................................89
5.2.3.1 – Dimensionamento del pacco
batterie – Soluzione 1: celle SAFT Li-ion VL 37570.............89
5.2.3.2 – Calcolo delle forze e delle potenze in gioco............91
5.2.3.3 – Calcolo della potenza trasmissibile al
contatto ruota-suolo.................................................................96
5.2.3.4 – Calcolo della coppia richiesta................................100
5.2.3.5 – Stima della potenza e dell’energia recuperabile.....103
5.3 – Dimensionamento di sistemi di accumulo alternativi......................106
5.3.1 – Soluzione 2: celle KOKAM Li-poly SLPB 68106100.........106
5.3.2 – Soluzione 3: celle EEMB Battery Li-ion LIR 18650...........107
5.3.3 – Confronto tra le soluzioni progettuali adottate....................109
CAPITOLO 6. Percorso urbano: stima dei consumi e dei costi.............111
6.1 – Test di consumo carburante..............................................................111
6.1.1 – Descrizione del percorso urbano preso in esame................114
6.2 – Simulazione di percorrenza del ciclo urbano da parte di
AmbienTAXI: stima dei consumi e dei costi..............................................116
6.2.1 – Teoria sulla dinamica del veicolo........................................116
6.2.2 – Risultati della simulazione..................................................119
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Indice
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Conclusioni...............................................................................................123
Ringraziamenti.........................................................................................127
Bibliografia...............................................................................................129
Appendice..................................................................................................131
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Elenco delle figure
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Elenco delle figure
CAPITOLO 1. “AmbienTAXI” – il taxi elettrico
Figura 1.1 – Layout degli interni e descrizione delle innovazioni
apportate......................................................................................................20
Figura 1.2 – Layout degli interni e quote d’ingombro...............................22
Figura 1.3 – Schema riassuntivo della segmentazione del mercato...........26
Figura 1.4 – Schema di posizionamento di AmbienTaxi sul mercato........32
Figura 1.5 – Grafico riguardante la suddivisione della vettura
progettata nei 5 chunks del settore automotive (Platform,
Upper body, Power train, Interiors & Electronics).....................................36
CAPITOLO 2. Sistemi di accumulo dell’energia
Figura 2.1 – Schema della pila Daniell......................................................40
Figura 2.2 – Schema di un accumulatore al piombo..................................43
Figura 2.3 – Datasheet di un modulo di batterie Ni-MH della SAFT.........45
Figura 2.4 – Datasheet delle celle Li-poly ad alta densità di energia
della KOKAM..............................................................................................47
Figura 2.5 – Datasheet delle celle Li-poly ad alta potenza della
KOKAM.......................................................................................................48
Figura 2.6 – Datasheet delle celle Li-poly ad altissima potenza della
KOKAM.......................................................................................................48
Figura 2.7 – Foto di alcuni modelli prodotti e grafico relativo
alla potenza specifica contenuta nelle celle KOKAM rispetto alla
loro densità di energia.................................................................................48
Figura 2.8 – Foto di alcuni modelli prodotti, grafico a torta relativo
ai materiali di composizione e datasheet del modulo di batteria zebra
montato su alcune auto prodotte dalla MES-DEA.......................................49
Figura 2.9 – Schema di un ultracapacitor...................................................51
Figura 2.10 – Specifiche degli ultracapacitors prodotti dalla
MAXWELL...................................................................................................53
Figura 2.11 – Schema di una batteria a volano..........................................56
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Elenco delle figure
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CAPITOLO 3. Sistema di propulsione elettrico e frenatura rigenerativa
Figura 3.1 – Caratteristica ideale del sistema di propulsione.....................58
Figura 3.2 – Caratteristica tipica di un motore a combustione interna......59
Figura 3.3 – Sforzo di trazione alla ruota con una trasmissione
multimarcia tipico di un motore a combustione interna..............................59
Figura 3.4 – Caratteristica tipica di un motore elettrico.............................60
Figura 3.5 – Modello funzionale di un DCM.............................................63
Figura 3.6 – Modello funzionale di un IM.................................................65
Figura 3.7 – Sezione rotorica di un PMSM - SPM....................................66
Figura 3.8 – Sezione rotorica di un PMSM - IPM.....................................67
Figura 3.9 – Principio di funzionamento di un VRM................................71
CAPITOLO 5. Progetto del sistema di propulsione e di accumulo
Figura 5.1 – Modello raffigurante le forze in gioco...................................84
Figura 5.2 – Schema delle potenze in gioco e dei parametri che le
influenzano..................................................................................................85
Figura 5.3 – Resistenza al moto nel caso di strada piana a pendenza
nulla.............................................................................................................91
Figura 5.4 – Resistenza al moto nel caso di strada piana inclinata
di 6 [deg].....................................................................................................92
Figura 5.5 – Potenza necessaria al moto nel caso di strada piana a
pendenza nulla.............................................................................................93
Figura 5.6 – Potenza necessaria al moto nel caso di strada piana
inclinata di 6 [deg].......................................................................................93
Figura 5.7 – Maschera di dimensionamento della potenza ai
morsetti dei motori......................................................................................94
Figura 5.8 – Maschera di dimensionamento della potenza ai
morsetti del convertitore..............................................................................95
Figura 5.9 – Potenza richiesta dal carico e potenze trasmissibili
al contatto ruota-suolo riferiti ad una pendenza di 6 [deg]..........................97
Figura 5.10 – Potenza richiesta dal carico e potenze trasmissibili
al contatto ruota-suolo riferiti ad una pendenza di 6 [deg]; zoom
sull’intervallo di velocità d’interesse evidenziato in Figura 5.9.................98
Figura 5.11 – Potenza richiesta dal carico e potenze trasmissibili al
contatto ruota-suolo in condizioni reali riferiti ad una pendenza di 6
[deg].............................................................................................................99
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Elenco delle figure
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Figura 5.12 – Grafico tipo di un motore elettrico e del suo carico..........100
Figura 5.13 – Coppia richiesta dal carico e maschera di
dimensionamento della coppia motrice.....................................................102
Figura 5.14 – Potenza recuperabile alla ruota per una pendenza
di -6 [deg]..................................................................................................104
Figura 5.15 – Potenza recuperabile all’asse motore per una
pendenza di -6 [deg]..................................................................................104
CAPITOLO 6. Percorso urbano: stima dei consumi e dei costi
Figura 6.1 – Spettro del test di consumo carburante come
da normativa vigente.................................................................................112
Figura 6.2 – Spettro del ciclo urbano.......................................................114
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Elenco delle figure
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Elenco delle tabelle
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Tabella 1.1 – Riassunto della situazione dei taxi in Italia..........................25
Tabella 1.2 – Contributi governativi..........................................................27
Tabella 1.3 - Confronto delle prestazioni tra i principali competitors.......29
Tabella 1.4 – Punti di forza e di debolezza dei competitors.......................30
Tabella 1.5 – Punti di forza di AmbienTAXI...............................................31
Tabella 1.6 – Dettagli della SWOT analysis..............................................33
Tabella 2.1 – Dati indicativi relativi alle tipologie di accumulatori
citati.............................................................................................................50
vetture elettriche in commercio: stato dell’arte
Tabella 4.1 – Specifiche tecniche di alcune auto elettriche........................75
Tabella 5.1 – Specifiche meccaniche di progetto.......................................79
Tabella 5.2 – Specifiche tecniche dell’azionamento..................................82
Tabella 5.3 – Specifiche tecniche delle celle SAFT Li-ion VL 37570.......82
Tabella 5.4 – Alcuni parametri usati nelle simulazioni..............................86
Tabella 5.5 – Specifiche tecniche delle celle KOKAM Li-poly SLPB
68106100...................................................................................................106
Tabella 5.6 – Specifiche tecniche delle celle EEMB Battery Li-ion
18650.........................................................................................................107
Tabella 5.7 – Confronto tra le soluzioni costruttive ipotizzate................109
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Introduzione
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Introduzione
Il 26 gennaio 2010 a pagina 13 del Corriere della Sera si è alzato un grido,
l’ennesimo in tema di inquinamento ambientale; “Inquinamento, le 57 città
fuorilegge” ha voluto mettere l’accento ancora una volta sui problemi che
da anni oramai affliggono il nostro paese. L’articolo cita testuali parole:
«…Nella lotta allo smog, le città italiane avanzano in ordine sparso. In
assenza di un piano d’azione nazionale, atteso da anni e ancora in “fase di
stesura”, ognuno lotta con i propri strumenti. Con la certezza che, quegli
strumenti, non bastano. Perché, tra le 88 maggiori città italiane, 57 l’anno
scorso hanno sballato i limiti di inquinamento previsti dalle leggi
europee…»
«…La classifica delle città più inquinate nel 2009 è stata messa a punto nel
rapporto Mal d’aria di Legambiente: Napoli al primo posto (156 volte
superato il limite di 50 microgrammi per metro cubo di polveri sottili),
seguita da Torino (151), Ancona (129) e Ravenna (126). Milano è a 108
giorni di aria irrespirabile, Venezia a 60…»
«…A fronte di questo disastro - spiega Andrea Poggio, vicedirettore di
Legambiente - continuiamo ad ascoltare annunci e vediamo politiche di
incentivo che non hanno nessuna ricaduta». Esempio: l’incentivo di 200
euro per l’acquisto di nuove bici: “A cosa è servito, se in città le biciclette
non si possono usare? Non abbiamo guadagnato neanche un “ciclista”.
Quei soldi andavano dati ai Comuni per creare piste ciclabili. Bisogna
superare l’equazione infrastrutture uguale autostrade”…»
«…In dieci anni Bolzano ha alzato la percentuale di mobilità ciclistica dal
5 al 20 per cento. Nel centro di Milano, il bike sharing del Comune ha
raccolto oltre 12 mila abbonati in poco più di un anno. Quasi un quarto dei
taxi in Lombardia sono ecologici (auto ibride o a metano/gpl) grazie agli
incentivi regionali, che però non sono sufficienti per tutti i tassisti che
vorrebbero convertirsi alla macchina verde…»
«…La velocità media delle auto nelle città non supera mai i 25 chilometri
orari. Significa congestione. E smog. La Commissione europea ha aperto
una procedura di infrazione contro l’Italia per ”il persistente superamento
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Introduzione
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dei valori limite di inquinamento”. La nuova direttiva del 2008 concede
però agli Stati la possibilità di una proroga se dimostreranno di poter
rientrare sotto le soglie entro il 2011. Una prima richiesta di moratoria da
parte dell’Italia è stata bocciata a settembre. Entro marzo dovrebbe
arrivare il verdetto sulla seconda richiesta: se sarà negativo, il fascicolo
potrebbe passare alla Corte Europea. L’ipotesi peggiore è quella di
pesanti multe…»
Da qualche decennio a questa parte l’inquinamento urbano è diventato una
vera e propria piaga sociale; e quel che è peggio è che, nonostante gli
sforzi, non si riesce a vedere una chiara via d’uscita al problema.
Fattori come smog, polveri sottili e quant’altro sono la diretta conseguenza
di un traffico stradale giunto a livelli insostenibili e quasi mai attento alla
salvaguardia della salute di noi cittadini.
Tutti questi fattori negli ultimi anni hanno posto le basi per lo sviluppo di
mezzi di trasporto innovativi caratterizzati da un basso (o addirittura nullo)
impatto ambientale. Tra questi spiccano su tutti i veicoli elettrici.
La trattazione si rivolge proprio a questa categoria; nella fattispecie espone
un progetto tanto ambizioso quanto innovativo ideato da tre giovani
studenti.
L’EngineeGREEN team, questo il nome del gruppo di lavoro, ha concepito
un mezzo di trasporto elettrico rivolto ad un settore di nicchia, quello dei
taxi. Il fatto che, allo stato attuale, nessuna casa automobilistica produca
vetture non inquinanti e in grado di soddisfare le esigenze (talvolta latenti)
di tassisti e passeggeri, ha fornito al team forti stimoli per continuare a
sviluppare la propria idea.
Conciliando i risultati ottenuti da interviste sottoposte a tassisti e non, è
emerso l’estremo bisogno di una soluzione innovativa che rivolga
attenzione all’ambiente, ai costi di gestione, alle prestazioni e che sia
funzionale all’uso per cui è destinata.
Zero emissioni, basso costo del “pieno d’energia”, design, visibilità in città,
igiene, sicurezza da aggressioni e centralità del passeggero sono alcuni dei
punti cardine del concept.
La tesi si apre con la descrizione del progetto da un punto di vista globale
utilizzando l’approccio di chi è intenzionato a costituire una vera e propria
start up d’azienda; sono state spiegate le innovazioni inserite nel concept, è
stata fatta una disamina del mercato e dei possibili competitors, analizzata
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Introduzione
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una possibile strategia di marketing ed è stato ipotizzato l’assetto
organizzativo dell’eventuale business.
Una volta inquadrato il progetto in toto la trattazione prosegue focalizzando
l’attenzione sui sistemi di accumulo e di propulsione di AmbienTAXI: dopo
aver riportato le tecnologie disponibili sul mercato, è stato analizzato lo
stato dell’arte dei modelli d’auto esistenti e conseguentemente, dopo una
scelta accurata dei parametri progettuali, si è proceduto a dimensionare il
pacco batterie e i motori, concludendo con una stima dei consumi su
circuito cittadino. Ma andiamo con ordine.
Il secondo capitolo si rivolge all’analisi di alcune delle più importanti
tecnologie per lo stoccaggio di energia: le celle elettrochimiche (a cui è
stata dedicata maggiore attenzione), gli ultracapacitors e le batterie a
volano. Nella panoramica fatta, si sono analizzati di volta in volta i principi
di funzionamento e i possibili risvolti applicativi.
Lo stesso approccio discorsivo è stato utilizzato nel terzo capitolo dove si
sono esaminate le tecnologie riguardanti il sistema di propulsione elettrico
di AmbienTAXI. Direct current motor (DCM), Induction motor (IM)
piuttosto che Permanent magnet synchronous motor (PMSM) o Variable
reluctance motor (VRM) sono state le tipologie di motori analizzate; come
nel caso dei sistemi di accumulo, per ognuna di esse sono stati descritti
principi di funzionamento e le applicazioni usuali. In questo capitolo si è
spesa inoltre qualche parola sulla frenatura rigenerativa, accorgimento che,
in tema di propulsione elettrica, riveste particolare importanza.
Il quarto capitolo è stato lo scenario di un’analisi fatta con lo scopo di
inquadrare lo stato dell’arte dei veicoli elettrici: si sono elencate le vetture
già presenti sul mercato (o di imminente uscita) e per ognuna di esse sono
state elencate (laddove reperite) le caratteristiche riguardanti i propulsori e
le batterie in dotazione.
Il quinto capitolo è stato dedicato al progetto e al dimensionamento dei
sistemi di accumulo e di propulsione; in questa parte dell’elaborato si è
studiata la dinamica longitudinale di AmbienTAXI. Una volta fissate le
specifiche di progetto, come ad esempio i valori di velocità e pendenza
massime, con l’ausilio di un software di calcolo e dei programmi costruiti
ad hoc, si sono ottenuti i dati relativi al pacco batterie e ai motori scelti.
Di quest’ultimi si sono ricavati i grafici di sforzo alla ruota, potenza, coppia
ed energia recuperabile; per quanto riguarda gli accumulatori, invece, sono
state ipotizzate tre soluzione alternative ottenute variando la tipologia delle
celle elementari costituenti il pacco.
15
Introduzione
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Il sesto e ultimo capitolo riguarda l’analisi del consumo urbano di
carburante; prendendo in considerazione il test condotto dalle normali
automobili in fase di omologazione (standardizzato da normative CEE), si è
voluta simulare la percorrenza di AmbienTAXI per valutarne il relativo
consumo energetico. Infine, dopo aver reperito i dati necessari, è stato
interessante confrontare sul piano economico i consumi di AmbienTAXI
con quelli
dei tre competitors citati nel primo capitolo; in tal modo si è finalmente
riusciti a trovare una risposta alla domanda: « AmbienTAXI ci fa realmente
risparmiare rispetto ad un taxi tradizionale? ».
16
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1.1
Le motivazioni di tale scelta
Il progetto AmbienTAXI è nato tra i banchi di scuola con il semplice
obiettivo di diventare di li a breve del semplice materiale da presentare
all’esame di Marketing. Ben presto però, le motivazioni fornite dai
commenti positivi di amici e colleghi, nonché l’ammirazione manifestata
dal docente, hanno tramutato le piccole ambizioni iniziali in altre di gran
lunga più importanti.
L’idea di base era quella di concepire un veicolo elettrico che fosse in
grado, per quanto possibile, di contribuire alla salvaguardia dell’ambiente
cittadino. Proporre cioè un’auto agile, funzionale e confortevole al tempo
stesso, che riuscisse a rivoluzionare il concetto di mobilità; un’auto che
riconoscesse nel centro urbano il suo habitat naturale e che accogliesse i
passeggeri che viaggiavano su di essa come ospiti d’onore.
Sia chiaro, tutto questo non deve far pensare che c’era l’dea di fare
concorrenza a Toyota o Renault, ma deve far capire che l’intenzione era
quella di distinguersi dalla massa e per fare ciò la parola chiave era
“diversificare”: trovare un settore di nicchia che le case automobilistiche,
per ovvie ragioni legate alle poche unità produttive, non soddisfavano; un
settore a cui dedicare molta più attenzione di quanto sin d’ora gliene fosse
stata data e che fosse primariamente responsabile dell’inquinamento
urbano.
Le domande da porsi erano: quale mezzo rende le città di tutto il mondo
tanto trafficate? Quale mezzo diventa indispensabile quando sono in ritardo
al lavoro? Quale mezzo usufruisco se voglio spostarmi anche di notte e con
estrema comodità? Ovvero, quale mezzo di trasporto è svincolato da orari e
percorsi? Ovvio, il taxi.
L’idea che nessuna casa automobilistica dedicasse le proprie energie ad
automobili costruite ad hoc (ad eccezione dell’oramai datato taxi cab
londinese) e che il problema dell’inquinamento causato dai taxi fosse molto
sentito, ha incentivato l’entusiasmo di iniziare ad esplorare il mondo
dell’automotive.
17
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Da quel giorno il “progetto AmbienTAXI” cominciò a vivere e con lui
anche l’EngineeGREEN team. I paragrafi che seguono ripercorrono alcuni
degli argomenti trattati in fase di pianificazione del business.
1.2
Descrizione del prodotto
AmbienTAXI si pone il duplice obiettivo di migliorare le
lavoro del tassista e di rendere quanto più possibile
permanenza dei passeggeri a bordo. Le sue caratteristiche
possono distinguere in: Innovazioni sul design e sulla forma
sui propulsori e sulla tecnologia a bordo.
condizioni di
piacevole la
innovative si
e Innovazioni
1.2.1 Innovazioni sul design e sulla forma
- Posizione di guida centrale: oltre a migliorare la guidabilità del mezzo
consente di ricavare una maggiore porzione di spazio da dedicare al
tassista. Risulta molto sentita inoltre la necessità di un distacco vero e
proprio da parte di quest’ultimo rispetto ai passeggeri.
- Pannello trasparente di separazione: del tutto in linea con quello scritto
sopra questa soluzione garantisce la netta separazione tra settore di guida e
settore passeggeri, utile soprattutto in chiave sicurezza: il conducente viene
preservato dal rischio di aggressioni.
- Vano bagagli interno all’abitacolo: questa soluzione agevola soprattutto il
tassista, preservandolo dall’obbligo di scendere dal veicolo per caricare
valige e bagagli in genere. Utile soprattutto in caso di pioggia.
- Settore passeggeri rialzato: con questa soluzione si cerca di mettere
l’accento sul concetto della centralità del passeggero. È comodo soprattutto
in città, non solo per i turisti, avere una visuale indisturbata sul percorso
che si sta facendo.
- Parabrezza panoramico: si riprende il concetto di ampia visibilità appena
citato. Insieme ai grandi finestrini laterali previsti, si creano condizioni di
luminosità tali da permettere una vista panoramica sul percorso.
- Display con itinerari e guida turistica: il concetto del taxi è ampliato a
possibile mezzo con cui visitare la città. Nel caso di turisti (anziani o con
difficoltà motorie) e in quelle città non munite di mezzi per l’uso specifico
il taxi potrebbe diventare una soluzione ideale per un tour dettagliato.
18
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- Sedile dedicato a portatori di handicap: il progetto ha un occhio di
riguardo nei confronti di persone con disabilità motorie. Un sedile che
trasla su di una guida accoglie in prossimità della porta di accesso il
portatore di handicap agevolandone la salita.
- Grandi porte laterali scorrevoli: poste sul lato destro dell’auto permettono
una salita e una discesa più agevoli da parte di conducente e passeggeri.
- Interni progettati per garantire l’igiene: facilità di pulizia la parola chiave.
Una soluzione può essere quella già adottata negli aerei, nei quali il tessuto
dei sedili viene impregnato con biossido di titanio (TiO2), sostanza che, una
volta attivata da raggi UVA, è capace di disgregare le sostanze organiche.
Ci si propone di diminuire quanto più possibile la presenza di spigoli vivi
all’interno dell’abitacolo sia per ragioni di sicurezza che per evitare
concentrazioni di sporco e di trovare ulteriori soluzioni innovative per
mettere a disposizione dei clienti un mezzo sempre pulito e igienizzato.
- Prese di corrente elettrica: a disposizione dei passeggeri dei punti di
fornitura di energia elettrica alla stessa tensione della rete di casa (220 V).
Può esserci l’esigenza da parte dei clienti di lavorare al pc durante il
tragitto (e di usufruire del servizio wi-fi nelle città dov’è installato) o
semplicemente ricaricare per qualche minuto un qualsiasi dispositivo
elettronico.
- 5 posti per i passeggeri: grazie al sedile posteriore costruito in due moduli
(uno dei quali progettato per i portatori di handicap) che accoglie 3 persone
e al sedile anteriore che invece ne prevede 2, AmbienTAXI propone un
posto in più rispetto ai 4 offerti da quasi tutte le altre auto.
- Fasce led colorate: su ognuno dei due montanti che si protraggono per
tutta la lunghezza della vettura si è pensato di applicare un fascio di luci a
led che cambi colore a seconda che il taxi risulti libero (luce verde),
occupato (luce rossa) o fuori servizio (luce spenta). In questo modo la
visibilità in città sarebbe garantita a tutto vantaggio del tassista e delle
persone in cerca di un mezzo disponibile. La normativa vigente sia in Italia
che all’estero obbliga ogni taxi ad avere un’insegna luminosa ben in vista
sul tettuccio; in base all’illuminazione della stessa si può capire se il taxi
sia libero oppure occupato (luce accesa - libero, luce spenta - occupato).
L’inconveniente proviene dal fatto che l’illuminazione di giorno è poco
visibile e molto spesso il servizio ne risente.
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- Assenza di sporgenze anteriori e posteriori: la mancanza del motore a
combustione interna e del bagagliaio posteriore permettono di eliminare le
sporgenze e di contenere la lunghezza della vettura senza però penalizzarne
lo spazio interno.
In Figura 1.1 si può notare la disposizione degli spazi interni:
Figura 1.1 – Layout degli interni e descrizione delle innovazioni apportate.
1.2.2 Innovazioni sui propulsori e sulla tecnologia a bordo
- Motori elettrici ad alta efficienza: AmbienTAXI verrà spinto da uno o più
motori elettrici. La potenza installata dovrà essere tale da garantire ottime
prestazioni in funzione dell’utilizzo specifico della vettura: la sua analisi
sarà uno degli argomenti trattati in seguito. L’ingombro di un propulsore
elettrico non è paragonabile con quello di un motore a combustione interna
e non lo è nemmeno il peso che, nel caso in questione, risulta notevolmente
minore a tutto vantaggio del dispendio di energia. Rispetto ai motori a
combustione interna inoltre, quelli elettrici hanno un rendimento
notevolmente superiore: se ad esempio prendiamo due diversi motori che
assorbono 1 [kW] di potenza ciascuno, si nota che quello elettrico rende
20
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disponibile circa 0.9 [kW] mentre quello a c.i. solamente 0.3÷0.4 [kW]. Per
la peculiarità dei motori elettrici AmbienTAXI sarà monomarcia e potrà
contare su una coppia di spunto tale da permettergli estrema agilità nel
traffico cittadino. La velocità massima prevista è di 80 [km/h].
- Batterie di ultima generazione: per lo stoccaggio dell’energia elettrica è
stato previsto di utilizzare un pacco pile in grado di garantire un’autonomia
di circa 200 [Km]. La tipologia di batterie da utilizzare e la quantità di
energia immagazzinata saranno valutate in maniera esaustiva nel corso
della trattazione. In questi ultimi anni la ricerca nel settore è molto
consistente perciò la speranza è quella di poter disporre nel tempo di
tecnologie rinnovate e più efficienti.
- Dispositivo di recupero potenza in fase di frenata: già in uso su alcune
delle automobili ibride in commercio questo accorgimento è approdato
nella stagione 2009 anche in F1. La potenza dissipata in fase di frenata del
veicolo viene in parte recuperata e resa disponibile in un secondo
momento. Le modalità con cui avviene tutto ciò e le considerazioni del
caso verranno trattate a tempo debito nel corso della trattazione.
- Modulazione elettronica dell’erogazione della potenza: a seconda del
tratto stradale che si sta percorrendo viene dosata la potenza da fornire ai
motori in modo tale da preservare il livello di carica delle pile. Nei tratti
urbani (limite 50 [km/h]) infatti, le velocità permesse sono inferiori a quelle
dei tratti extraurbani (limite 70÷90 [km/h]).
- Centri di sosta dotati di impianto di ricarica delle batterie: nelle piazzole
di sosta o nei ricoveri (nell’ipotesi di fornire veicoli ad una cooperativa di
tassisti) dove i taxi si riuniscono risulta utile prevedere una colonnina di
ricarica o comunque un dispositivo (ad esempio a strisciamento posto sotto
il pianale) che permetta il reintegro della carica delle batterie.
Come già detto all’inizio del paragrafo sono due gli obiettivi prefissati:
andare incontro alle esigenze dei tassisti (considerando che saranno proprio
loro i clienti diretti dell’ipotetica azienda) e soddisfare i bisogni dei
passeggeri (altrettanto importanti in veste di fruitori del servizio). Le
attrattive del prodotto sono riassunte brevemente in ognuna delle voci
elencate poc’anzi; in linea del tutto generale si può comunque dire che
l’innovazione principale del concept è quello di essere stato pensato e
progettato ad hoc per le mansioni che dovrà svolgere preservando
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l’ambiente circostante dal pericolo di inquinamento. Se infatti, come ci si
augura che sia, AmbienTAXI viaggerà sulle strade delle più grandi e belle
città del mondo, contribuirà ad innescare un cambiamento culturale tale da
scatenare in pochi anni una richiesta consistente di veicoli elettrici.
Le tecnologie necessarie alla produzione del prodotto hanno un elevato
contenuto innovativo: se da un lato ciò rappresenta un’opportunità finora
ancora poco sfruttata dalle aziende del settore, dall’altro si traduce in
considerevoli costi di sviluppo e approvvigionamento. I motori elettrici allo
stato attuale godono di una buona maturità tecnologica e sono in grado di
offrire prestazioni notevoli; lo stesso discorso non vale però per le batterie,
protagoniste di continui sviluppi e disponibili a costi ancora troppo elevati.
Tuttavia, sebbene allo stato attuale i costi di produzione di AmbienTAXI
risultino (dalle stime effettuate) onerosi e non proprio in linea col mercato,
si ritiene di vitale importanza procedere sin da subito al suo sviluppo. In tal
modo, non appena il mercato lo concederà, la produzione potrà aver inizio
e il time to market sarà immediato.
Di seguito, in Figura 1.2, è riportata la sezione interna con le principali
quote d’ingombro:
Figura 1.2 – Layout degli interni e quote d’ingombro.
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1.3
Analisi di mercato
1.3.1 Caratteristiche del mercato e analisi della domanda
Il mercato dei taxi è costituito dalle auto di serie prodotte dalle case
automobilistiche di tutto il mondo.
La modalità con cui i tassisti acquistano i taxi è la stessa con cui ogni
persona acquista la propria auto. I parametri tecnici più richiesti sono:
cilindrata medio-alta, consumi ridotti, interni spaziosi, colorazione bianca
(in Italia), 5 porte e almeno 5 posti totali. Sulle auto di serie vengono in
seguito aggiunti gli accessori necessari alla pratica della professione come
l’insegna luminosa e il tassametro. L’acquisto può anche essere condotto
tramite associazioni di categoria per beneficiare di sconti sul prezzo;
proprio quest’ultimo, insieme ai costi di gestione, è una grossa
discriminante in fase di valutazione d’acquisto.
Attualmente le auto in commercio NON sono a zero emissioni. I veicoli più
ecologici che oggi troviamo sul mercato sono gli “HEV” (hybrid electric
vehicles) la cui propulsione ibrida è costituita da un motore a combustione
interna affiancato ad uno elettrico impiegato solo per brevi tratti ed entro
certi valori di velocità. Un esempio su tutti è certamente la Toyota Prius
che si è ulteriormente rinnovata nella sua ultima (la terza) versione, ma
anche case come Volkswagen, Honda, Mercedes, Bmw, Chrysler e Renault
sono recentemente uscite sul mercato con nuovi modelli testimoniando il
fervore che investe il settore.
1.3.2 Esigenze dei tassisti
Da interviste fatte sul campo si è notato che i tassisti hanno determinate
esigenze dettate dalla natura del loro lavoro che a volte, a causa di mezzi
non concepiti ad hoc, non vengono soddisfatte. Una su tutte è il bisogno di
interni larghi e spaziosi: lavorare in un ambiente confortevole ed armonioso
aiuta ad attenuare lo stress quotidiano. Altra cosa da non sottovalutare è il
bisogno di sicurezza: molti tassisti, infatti, temono di essere aggrediti e si
sentono inermi dal momento in cui non hanno il controllo della situazione e
sono privi di protezioni fisiche che li separino dai clienti. Ultimamente si è
sentito parlare di telecamere nel taxi collegate a stazioni di polizia: si può
interpretare tale accorgimento come un atto di prevenzione? No di certo!
Altre esigenze: la visibilità dell’auto nel traffico, la facilità di carico dei
bagagli e, certamente non ultime in termini di importanza ma abbastanza
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scontate, i bassi costi gestione, l’elevata autonomia ed affidabilità, le buone
prestazioni e più attenzione alla salvaguardia ambientale.
1.3.3 Dimensione del mercato italiano
La stima del numero di taxi circolanti in Italia è stata condotta su dati
ottenuti da ricerche multimediali (giugno 2009); utili a questo scopo sono
stati i siti internet delle varie associazioni di tassisti (ad esempio Radiotaxi
Roma, Radiotaxi Milano, ecc) e le interviste effettuate di persona.
Dalle interviste sottoposte ai tassisti di Pordenone è emerso che in alcune
realtà limitrofe la situazione è la seguente:
- Pordenone (48.000 abitanti): 20 taxi;
- Udine (100.000 abitanti): 42 taxi;
- Mestre e dintorni (311.000 abitanti): 130 taxi.
Da questi dati si è stimato che la proporzione n° taxi/n° abitanti nelle
provincie medio-piccole risulta di circa 1/2.400; è stato utilizzato questo
valore per stimare il numero di taxi presenti nelle città capoluoghi di
provincia con popolazione inferiore a 130.000 abitanti.
Vengono riportati di seguito un paio di esempi:
- Agrigento => 50.000 abitanti => 50.000/2.400 = 23 taxi;
- Aosta => 35.000 abitanti => 35.000/2.400 = 15 taxi.
Per quanto riguarda le unità di taxi presenti nelle città medio-grandi (aventi
una popolazione compresa tra i 130.000 e i 340.000 abitanti) e nelle
metropoli il valore è stato fornito da enti locali e da ricerche effettuate sul
web. Il numero di taxi che opera nelle metropoli italiane è:
- Roma => 7.200
- Milano => 4.800
- Napoli => 1.100
- Torino => 1.800
- Palermo => 900
- Genova => 869
- Bologna => 900
- Firenze => 1.030
24
Per un totale di 18.599 taxi
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Piccole città di provincia
(città con numero abitanti
< 130.000 )
Medie città di provincia
tra 130.000 e 340.000 )
Metropoli
> 340.000 abitanti)
stima :
1 taxi ogni 2.400 abitanti
Numero taxi
2.827
Dati da associazioni di
tassisti ed enti locali
Numero taxi
3.225
Dati da associazioni di
tassisti ed enti locali
Numero taxi
18.599
Numero totale taxi in Italia
24.651
Tabella 1.1 – Riassunto della situazione dei taxi in Italia.
1.3.4 Segmentazione del mercato italiano
La segmentazione del mercato italiano è stata fatta in base alle esigenze dei
relativi tassisti: se da un lato la maggior parte di essi concorda
sull’attenzione rivolta a molte delle tematiche già citate, dall’altro dibatte
sulle questioni di autonomia e inquinamento. Proprio su questi ultimi due
fattori ha fatto perno la caratterizzazione che ha permesso di individuare le
seguenti categorie:
- Tassisti di piccole province: necessitano di considerevole autonomia in
quanto gli sono richieste tratte di percorrenza che vanno anche oltre al
confine cittadino. Dalle interviste effettuate emerge la grande variabilità del
chilometraggio giornaliero effettuato: in occasione di eventi e
manifestazioni importanti i chilometri percorsi da questa “classe” di tassisti
raggiunge anche i 350/400 [km/giorno]. Esercitando in piccole città essi
sono meno sensibili al problema inquinamento.
- Tassisti di province medio-grandi: hanno tendenzialmente esigenze più
vicine ai tassisti metropolitani in quanto il loro raggio d’azione si limita
quasi esclusivamente al percorso cittadino. A seconda delle città però, può
capitare che debbano percorrere tratti extraurbani e quindi saltuariamente
necessitare di autonomie prossime a quelle dei loro colleghi citati sopra.
25
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- Tassisti di città metropolitane: sono i tassisti delle 8 città d’Italia più
densamente popolate del nostro paese (da escludere quelli che si dedicano
in maggior parte alle tratte aeroportuali). Soddisfano al 95% tratte cittadine
non molto lunghe ma intensamente trafficate: il loro chilometraggio
giornaliero non supera i 160 [km]. Questa categoria è la più sensibile delle
tre al problema dell’inquinamento.
Taxi circolanti nel
territorio nazionale
Taxi nelle
province medie
Segmentazione
del mercato
Taxi nelle
metropoli
Percentuale dei
segmenti di
mercato
Figura 1.3 – Schema riassuntivo della segmentazione del mercato.
1.3.5 Target da soddisfare
Valutando in maniera critica AmbienTAXI non si può fare altro che
dedicare attenzione all’ultima tipologia citata: i Tassisti di città
metropolitane. Le motivazioni sono molteplici: dai grossi volumi circolanti
(maggiori opportunità di vendita) alla necessità di un’autonomia minore
(fattore che permetterebbe di contenere notevolmente i costi di
produzione); nelle metropoli inoltre, la grande concentrazione di veicoli
permetterebbe di allestire pochi punti di assistenza nevralgici (anche questo
con benefici economici). Da non sottovalutare inoltre l’opportunità di
vendere le vetture ad associazioni di tassisti presenti nelle grandi città. Non
ultima in termini d’importanza, infine, l’alta sensibilità di questi ambienti
verso la salvaguardia ambientale.
26
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Sfruttando lo sviluppo tecnologico dei componenti (motori e batterie in
particolare) che garantirà in futuro maggiori autonomie, ci si potrà
rivolgere nel tempo alle altre classi di tassisti. La facilità di penetrazione
del mercato deriva dalla proposta di un’auto pensata per la categoria
specifica e dai contributi legislativi previsti per auto a zero emissioni e
adibite al trasporto di disabili. A tal proposito, nello specchietto qui sotto, si
riporta il valore degli incentivi proposti con le relative motivazioni (Tabella
1.2).
Importo dell’incentivo [€]
3.000 (cumulabili)
3.600 (cumulabili)
3.000 (cumulabili)
7.000 (non cumulabili)
Motivazione
Vetture elettriche
Vetture adibite al trasporto di
persone disabili
Vetture elettriche
Vetture elettriche adibite al
trasporto di persone disabili
Ambito territoriale
Nazionale
Regione Piemonte
Regione Lombardia
Regione Lazio
Tabella 1.2 – Contributi governativi.
Dunque i valori dei contributi legislativi relativi alle città italiane più “taxipopolate” sono:
- Totale degli incentivi per i potenziali acquirenti di Roma = 7.000 €;
- Totale degli incentivi per i potenziali acquirenti di Torino = 6.600 €;
- Totale degli incentivi per i potenziali acquirenti di Milano = 6.000 €.
1.3.6 Valore del mercato italiano
Attualmente i competitors coprono la totalità del mercato con auto più o
meno inquinanti. In questa trattazione vengono considerati i 3 modelli di
auto che, ha detta dei tassisti intervistati, sono più comuni ed interessanti
viste le buone prestazioni che offrono:
- Renault Scenic Dynamique 1.900cc 130 cv il cui costo è di 25.151 €;
- Wolkswagen Passat Variant 1.800cc 140 cv il cui costo è di 28.726 €;
- Toyota Prius 1.500cc 77 cv il cui costo si aggira intorno ai 26.000 €.
Il costo medio di questi tre modelli è di circa 26.625 €. Si tiene a precisare
che la quota riguardante il numero di taxi presenti nel territorio nazionale
(24.651) non ha tenuto conto di quelli presenti nelle periferie perciò si
assume che in totale circolino 26.000 vetture taxi.
27
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MERCATO TOTALE = Costo medio x Vol. totale = 26.625 x 26.000 = 692.250.000 €.
MERCATO TARGET = Costo medio x Vol.target = 26.625 x 18.599 = 495.198.375 €.
1.3.7 Situazione del mercato mondiale
La situazione del mercato mondiale è, per ovvie ragioni, più complessa.
Tutto sommato però, dalle ricerche effettuate in rete, è emerso che la
salvaguardia ambientale è un tema di particolare interesse in molte
metropoli del mondo; New York ad esempio entro il 2012 si propone di far
circolare solamente taxi ibridi e Londra nel 2010 è pronta ad investire un
milione di sterline per progettare “taxi puliti”. Dalle stime effettuate in
queste due città circolano nel complesso più di 60.000 taxi; tra le città più
“taxi-trafficate” del mondo troviamo: Città del Messico (48.800)
Barcellona (16.000), NY Manhattan (12.300), Berlino (7.100), Washington
(6.300), Parigi (5.400), Praga (4.600), Monaco (3.800), Stoccolma (3.200)
e Dublino (2.500). In totale, sottostimando fortemente la cifra, si può
considerare un numero di taxi pari a 170.000 unità.
1.3.8 Prospettive future
La politica produttiva di un’ipotetica start up aziendale potrebbe prevedere
la fabbricazione di poche unità durante il primo anno. In tal modo si
riuscirebbe ad avere un riscontro sia da parte del mercato, sia da parte della
vettura stessa (che ricordiamo impiegare tecnologie nuove!). Negli anni
successivi la produzione potrebbe aumentare fino ad assumere dimensioni
che, a suo tempo, verranno ritenute opportune.
1.4
Analisi dell’ambiente competitivo
1.4.1 Analisi della concorrenza
L’analisi che segue si sofferma sui seguenti punti:
- Analisi dei prodotti attualmente presenti sul mercato e della concorrenza
(considerando i punti di forza e di debolezza);
- Analisi delle soluzioni adottate precedentemente da altri;
28
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- Analisi del vantaggio competitivo del prodotto e dei suoi punti deboli.
Analisi dei prodotti attualmente presenti sul mercato e della concorrenza
Si considerano nel dettaglio le seguenti vetture: Renault Scenic Dynamique,
Volkswagen Passat Variant e Toyota Prius.
La Renault Scenic è una vettura per certi versi rivoluzionaria nella sua
storia essendo stata la prima monovolume di taglia media. Nel 1997 il
primo modello della Scenic ha vinto il premio di auto dell’anno. In questa
analisi verrà considerata la versione 1.9 dci Dynamique che misura 456 cm
di lunghezza, 165 cm di altezza e 185 cm di larghezza.
La Volkswagen Passat Variant è una tra quelle più utilizzata dai tassisti per
la sua grande capacità di carico. In questa trattazione verrà preso in esame
il modello 2.0 TDI DPF Variant Comfortline avente una lunghezza di 480
cm, un’altezza di 152 cm e una larghezza di 186 cm.
La Toyota Prius è una autovettura ibrida (dotata di un motore a
combustione interna a benzina e di un motore elettrico) che rappresenta una
scelta futuristica e permette, tra le altre, di abbassare i costi di gestione e di
ridurre il tasso di emissioni nocive. È da considerare il notevole successo
che ha riscontrato a Milano lo scorso anno, con più di 500 unità vendute in
poco tempo; il modello analizzato monta un motore 1.5 VVT-i.
Nome
Prezzo
[€]
Cilin
drata
[cmଷ ]
Scenic
25.151
1.900
13,7
8
Da 208 a
2.063
5o7
≈ 1.000
80
Passat
28.726
2.000
13,3
8,3
Da 565 a
1.731
5
≈ 1.200
100
Prius
26.001
1.500
25
4,8
n.d.
5
n.d.
n.d.
Cons
umi
[km/l]
Costo
[€/100
km]
Bagaglio
[dmଷ ]
Posti
Autono
mia
[km]
Costo
pieno
[€]
Tabella 1.3 - Confronto delle prestazioni tra i principali competitors.
La Tabella 1.3 riporta alcuni dei dati tecnici più importanti in chiave di
prestazioni di ogni competitor.
Nella tabella a pagina seguente (Tabella 1.4), invece, ci si è chiesti se i
parametri considerati siano per le vetture considerate dei punti di forza
29
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__
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_
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
“PF” (su cui ad esempio fare leva nelle campagne pubblicitarie) oppure dei
punti di debolezza “PD”.
PF
PD
Volkswagen
Passat
PD
PD
-
-
PF
-
-
-
PD
PD
PD
PF
PF
PF
PD
PD
PD
PD
PD
PF
PD
PD
PD
Renault Scenic
Prezzo
Affidabilità
Consumi
Rispetto
dell’ambiente
Sicurezza da
incidenti
Sicurezza da
aggressioni
Confort dei
passeggeri
Utilizzo per i
disabili
Ingombro
esterno
Visibilità nel
traffico
Toyota Prius
PF
PF
Tabella 1.4 – Punti di forza e di debolezza dei competitors.
1.4.2 Analisi delle soluzioni adottate precedentemente da altri
Uno dei pochi esempi di vettura costruita per l’uso in questione è il famoso
taxi cab londinese. Questa vettura è conosciuta in tutto il mondo ed è nota
per la sua proverbiale comodità
e spaziosità degli interni; essa è
dotata inoltre di un vetro che
protegge il conducente da
eventuali aggressioni.
Un esempio ben più recente è
invece l’MX Libris (foto a
lato), un concept taxi elettrico
che adotta soluzioni ecologiche
ed innovative. È dotato di batterie agli ioni di litio che sono alimentate da
pannelli solari fotovoltaici montati sul tettuccio. Per ora è solo un prototipo
e la sua eventuale commercializzazione pare sia limitata
limitata solo all’americana
30
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latina. In passato altre vetture sono state progettate per uso taxi; una su tutte
la Fiat 600 Multipla che, grazie al design innovativo e al nuovo layout degli
interni, fece riscuotere alla casa torinese un ottimo successo.
1.4.3 Analisi del vantaggio competitivo del prodotto e dei suoi punti
deboli
Tra le caratteristiche che più differenziano AmbienTAXI dai competitors
vengono citate su tutte la propulsione totalmente elettrica e l’innovativo
layout degli spazi interni (pensato anche per persone aventi disabilità
motorie).
Nella Tabella 1.5 vengono riportati i punti di forza del progetto:
Affidabilità
Consumi
Comfort per i
passeggeri
Comfort per i
disabili
Rispetto per
l’ambiente
Sicurezza da
aggressioni
Visibilità
Guida centrale
La notevole riduzione di componenti meccanici dovuta alla
semplicità del tipo di propulsione permette di raggiungere un alto
grado di affidabilità a tutto vantaggio del tassista. La soluzione
adottata, prevedendo i motori calettati uno su ogni ruota, elimina gli
organi di trasmissione e quindi l’usura legata ad essi.
Il costo del pieno di carburante, e cioè di energia elettrica, (a parità
di km percorsi) diminuisce drasticamente. Questo fatto, insieme al
punto precedentemente analizzato, abbatte i costi di gestione.
Sedute ergonomiche, silenziosità, vista panoramica, vano bagagli
interno e servizi offerti (prese elettriche, itinerario cittadino ecc)
vanno incontro alle esigenze del passeggero aumentandone il
comfort percepito.
È stato progettato un sistema che agevola le persone con disabilità
motorie in fase di salita e discesa dal veicolo.
I motori elettrici non emettono alcuna sostanza nociva nell’ambiente
contribuendo così alla diminuzione del tasso di inquinamento nei
centri urbani.
Il pannello posto tra conducente e passeggeri mette al sicuro il
tassista da eventuali aggressioni.
Il sistema di luci a led poste sui montanti laterali del taxi permette di
migliorarne la visibilità nel traffico e la comprensione del suo stato
(libero, occupato oppure non in servizio).
La posizione centrale di guida ha un duplice beneficio: migliora la
manovrabilità del mezzo e consente di entrare (senza modifiche
importanti) anche nei mercati esteri dove la guida è a destra.
Tabella 1.5 – Punti di forza di AmbienTAXI.
31
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Figura 1.4 – Schema di posizionamento di AmbienTAXI sul mercato.
Dal grafico tridimensionale in Figura 1.4 si scorge il posizionamento del
prodotto sul mercato; qualità percepita e differenziazione (intesa come
unicità del prodotto) vanno a discapito del prezzo che è superiore a quello
dei competitors.
Al fine di completare l’analisi delle cinque forze di Porter è doveroso
spendere qualche riga riguardo ai fornitori, ai potenziali entranti e ai
prodotti sostitutivi che interverrebbero in un ipotetico piano di marketing:
- Fornitori: appare scontata l’importanza di stringere quanto più possibile
rapporti di collaborazione con i fornitori; la selezione può avvenire
all’interno del territorio nazionale per svariati motivi tra i quali la voglia di
contribuire alla crescita dell’economia del paese e la necessità della loro
vicinanza vista la politica produttiva assunta.
- Potenziali entranti: i potenziali entranti sono, prescindendo dalle case
automobilistiche più note, realtà aziendali medio-piccole che si pongono
l’obiettivo di produrre un prodotto simile ad AmbienTAXI.
- Prodotti sostitutivi: per la forte caratterizzazione data al prodotto si ritiene
difficile l’ingresso nel mercato di uno che possa assomigliargli; tuttavia c’è
la possibilità che qualche casa automobilistica si metta a produrre un
veicolo (magari dotato di un motore a combustione interna) da adibire solo
ad uso taxi.
32
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1.5
Strategia di marketing
1.5.1 SWOT analysis
Punti di forza
- Prodotto che soddisfa le esigenze latenti
di tassisti e passeggeri;
- Prodotto che non rilascia emissioni
nocive nell’ambiente;
- Possibilità di aggredire un segmento di
mercato di nicchia, meno appetibile per le
grosse case automobilistiche;
- Possibilità future di accaparrarsi altre
nicchie di mercato (ad es: trasp. merci);
- Team con alto grado di competenze
tecniche e medie competenze sui campi
elettronico e gestionale;
Opportunità
- Contributi da enti governativi italiani ed
europei in relazione alle normative sulla
salvaguardia ambientale e sul trasporto di
persone disabili;
- Approdo in paesi stranieri con una più
spiccata sensibilità ambientale;
- Collaborazioni con cooperative taxi;
- Partnership con aziende/enti sensibili
alla problematica ambientale;
- Uso del taxi come mezzo pubblicitario;
- Visibilità derivata dalla partecipazione
ad eventuali concorsi sull’innovazione.
Punti di debolezza
- Allo stato attuale l’elevato costo e le
modeste prestazioni dei componenti
elettronici (batterie in primis);
- Alti costi di investimento iniziali
(attrezzature, immobili ecc);
- Inesperienza del team in ambito
progettuale e imprenditoriale;
- Carenza di competenze specifiche in
ambito economico/finanziario e design
all’interno del team.
Minacce
- Insensibilità dei futuri clienti alla
problematica ambientale;
- Concorrenza di aziende più robuste;
- Mancanza di una linea politica che miri a
svincolare la società dal petrolio.
Tabella 1.6 – Dettagli della SWOT analysis.
I punti di debolezza di AmbienTAXI sono essenzialmente legati ai costi di
produzione. Allo stato attuale ciò che più spaventa è il costo degli
accumulatori, ma fa ben sperare il fatto che esso diminuisca gradualmente
nel tempo (circa del 10÷15% ogni anno). Ecco giustificata dunque la scelta
di puntare, almeno inizialmente, su un segmento di mercato (quello dei taxi
metropolitani) che esige le autonomie più basse della categoria in modo da
essere competitivi nel prezzo. Inizialmente, chi acquisterà il taxi elettrico
dovrà presumibilmente sborsare più denaro del collega che ne comprerà
uno “normale”; nel corso tempo, però, egli potrà godere di minori costi di
gestione e di manutenzione ma soprattutto potrà contare su un mezzo che lo
preservi da aggressioni malavitose, e scusate se è poco…
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1.5.2 Il marketing mix
- Product: AmbienTAXI è un prodotto che garantisce ottime prestazioni
grazie ad un sistema di trazione elettrico semplice e di qualità. Questa
soluzione ha consentito di eliminare molti componenti presenti invece nelle
normali autovetture (blocco motore a c.i., impianti ausiliari, impianto di
scarico, radiatore, ecc) a tutto vantaggio dell’affidabilità. La vettura
soddisfa i bisogni di conducente e passeggero tenendo conto anche di
esigenze latenti come possono essere ad esempio la voglia di ricevere
informazioni sulla città (soddisfatta da un impianto multimediale progettato
ad hoc) o la necessità di ricaricare la batteria di un qualsiasi dispositivo
elettronico ecc. Questi elementi legati al fatto che non inquina fanno del
taxi un prodotto che fornisce un valore emotivo cospicuo. In produzione si
potrà partire da una piattaforma dalla quale deriverà il modello finale
eventualmente modificato e personalizzato su richiesta del cliente.
- Price: Il taxi elettrico in via di progetto si stima possa venire
commercializzato ad un prezzo di 35.000 €, cifra nettamente superiore alla
media dei competitors; va subito chiarito però che questo non è il costo che
il tassista dovrà affrontare: infatti, grazie agli incentivi governativi sui temi
delle zero emissioni e della predisposizione della vettura ad accogliere
persone con handicap (accennati in precedenza), la cifra si sfoltirebbe di
circa 6/7 mila €. Ecco che 28/29 mila € diventerebbero dunque una cifra
più accettabile considerando anche che la gestione annuale del taxi elettrico
comparata con quella di una vettura normale vedrebbe un risparmio di circa
2.500 €. Dopo 4 anni di utilizzo dunque (vita media della vettura visto il
grande tasso di usura degli interni e delle batterie) si risparmierebbero circa
10.000 € di costi che, prescindendo dal tasso di attualizzazione,
porterebbero a meno di 20.000 € il prezzo per l’acquisto di AmbienTAXI.
- Place: L’obiettivo che ci si posti è quello di inserire un nuovo prodotto in
un segmento di mercato attuale. La clientela è composta da singoli
individui e da cooperative instaurate, tra le altre, col fine di aumentare il
potere d’acquisto spuntando degli sconti sul prezzo finale; solitamente
l’acquisto viene fatto in concessionarie situate nelle vicinanze della zona di
competenza. Queste abitudini sono consolidate e difficili da sradicare
perciò, vista l’onerosità che comporterebbe instaurare dei punti vendita, ci
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si propone di vendere il prodotto attraverso contatti diretti con i clienti. La
consegna potrebbe essere fatta poi tramite spedizione.
- Promotion: Questa fase sarebbe fortemente agevolata dal fatto che
AmbienTAXI si farebbe pubblicità da sé circolando per le strade cittadine
tutto il giorno. Quanto appena detto, unito alla non certo cospicua
disponibilità del budget, indirizzerebbe l’ipotetica azienda verso una
promozione mirata, capace di sfruttare canali interni ed esterni. Essa
potrebbe essere condotta seguendo due strade:
PROMOZIONE DEL PRODOTTO
- Contatti con associazioni tassisti e organizzazione di serate di
presentazione del prodotto;
- Campagna pubblicitaria in luoghi pubblici frequentati da tassisti (stazioni
ferroviarie, stazioni bus, aeroporti ecc).
PROMOZIONE CULTURALE
- Pubblicità in partnership con aziende che sostengono l’eco sostenibilità;
- Conferenze sulle problematiche ambientali;
- Blog di discussione sui temi chiave (consumi, inquinamento, risparmio
ecc).
1.6
Assetto organizzativo: il sistema del valore
Come già detto in precedenza una delle possibili politiche aziendali sarebbe
quella di prevedere una produzione di piccola scala nei primi anni d’attività
conducendo parallelamente una serie di mirate iniziative pubblicitarie volte
a stimolare il mercato e a capire l’entità della domanda. Negli anni
successivi, potendo disporre di tecnologie economicamente più accessibili
e di partnership consolidate, la realtà aziendale potrebbe espandersi
raggiungendo le dimensioni opportune. In questo modo si riuscirebbero a
contenere gli investimenti iniziali e si avrebbe modo di aggiustare la mira
su eventuali previsioni di mercato erronee fatte in questa sede.
Lo schema della catena del valore di Porter, non adattandosi al meglio a
realtà medio-piccole, è stata interpretata nel modo seguente: una volta
scomposto il taxi nei suoi componenti principali, per ognuno di essi si è
valutato se sia opportuno un co-design con una o più aziende del settore,
35
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oppure semplicemente un approvvigionamento tramite outsourcing
(Figura 1.5). Sempre nella stessa figura si sono riportati alcuni nomi di
aziende da contattare.
Per quanto riguarda i servizi da offrire al cliente sembra di maggior
interesse la linea di condotta da tenere nei confronti dell’assistenza postvendita. Riguardo a tale aspetto è necessario riflettere su quali siano le
competenze richieste per la riparazione/revisione di AmbienTAXI: il
“meccanico di fiducia” potrebbe infatti non bastare a questo scopo.
Potrebbe certamente risultare opportuna un’affiliazione a dei centri di
assistenza già presenti nel territorio in tutte quelle zone dove le unità
circolanti sono elevate, oppure si potrà attivare un servizio di assistenza
telefonico e se necessario un invio sul posto di personale qualificato.
Figura 1.5 – Grafico riguardante la suddivisione della vettura progettata nei 5 chunks
del settore automotive (Platform, Upper body, Power train, Interiors & Electronics).
La strategia di produzione con la quale la suddetta politica si propone di
rispondere al mercato è di tipo ASSEMBLY TO ORDER. Come già detto in
precedenza, visto l’esile potere contrattuale previsto, derivato dai bassi
volumi prodotti (almeno inizialmente), appare fondamentale stabilire con i
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fornitori relazioni robuste e collaborative, sovente indirizzate ad un codesign.
Il canale di vendita, almeno inizialmente, potrebbe gravare esclusivamente
sul reparto competente all’interno dell’ipotetica realtà produttiva; sarà cura
dello stesso infatti, contattare i potenziali clienti e proporre loro
AmbienTAXI: a questo scopo si potrebbero privilegiare per prime le
cooperative di tassisti (i vari Radiotaxi presenti nelle più grandi città) e le
associazioni ad esse correlate.
Una valida alternativa alla strategia aziendale appena esposta potrebbe
essere quella di instaurare una collaborazione con un’azienda operante nel
settore dell’EV (Electric Vehicles) in grado di mettere a disposizione del
progetto le infrastrutture e il know-how tecnologico necessari. In questo
modo si riuscirebbero quasi ad azzerare gli investimenti iniziali
dell’ipotetica start up rendendo conveniente sin da subito il business
proposto.
Quest’ipotesi
inoltre
permetterebbe
di
rispondere
tempestivamente al programma di eco mobilità previsto per l’Expo di
Milano che avrà luogo nel 2015; in occasione di questa manifestazione,
infatti, le autorità competenti auspicano di poter contare su una flotta di taxi
completamente elettrici e chissà che AmbienTAXI non possa vincere la
scommessa!
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I sistemi di accumulo dell’energia sono alla base del principio di
funzionamento di tutti i veicoli dotati di un motore elettrico, siano essi
ibridi o totalmente elettrici. È loro, infatti, il compito di immagazzinare
energia nel momento in cui sono collegati ad una sorgente, rendendola
disponibile quando il carico la richiede.
I sistemi di accumulo di gran lunga più utilizzati e certamente conosciuti
sono le celle elettrochimiche; negli ultimi tempi tuttavia, soprattutto grazie
al fervore che sta investendo il settore della propulsione elettrica, stanno
prendendo piede altre tipologie di accumulatori come gli ultracapacitors e
le batterie a volano (FES - Flywheel Energy Storage).
2.1
Celle elettrochimiche
Le celle elettrochimiche, chiamate comunemente batterie o pile, grazie al
loro uso comune sono i sistemi più conosciuti tra quelli citati.
Al loro interno avviene una reazione di ossido-riduzione in cui una
sostanza subisce ossidazione, perdendo elettroni, mentre un'altra si riduce,
acquistandoli. Data la sua configurazione, la pila consente appunto di
intercettare e sfruttare il flusso di elettroni tra le due sostanze. Tale flusso
genera quindi una corrente elettrica continua il cui potenziale elettrico è
funzione delle reazioni di ossidazione e riduzione che vi avvengono. Essa
costituisce quindi un sistema di accumulo indiretto di energia elettrica.
2.1.1 Principio di funzionamento: La pila Daniell
Al fine di spiegare il principio di funzionamento di una pila, e di illustrare
quindi le reazioni chimiche che avvengono al suo interno, viene riportato e
descritto di seguito l’esempio significativo della pila Daniell.
La pila Daniell (Figura 2.1) è costituita da un recipiente in cui un setto
poroso separa due parti, evitando che il contenuto delle due si mescoli
meccanicamente, ma consentendo il passaggio di ioni attraverso di esso.
Nella parte a sinistra è disposto un elettrodo in rame (che costituisce il polo
positivo, o CATODO, della pila, cioè quello dal quale escono le cariche
39
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elettriche positive), immerso in una soluzione di solfato di rame ‫ܱܵݑܥ‬ସ .
Nella soluzione sono quindi presenti rame ‫ݑܥ‬ାା e lo ione ܱܵସିି .
Nella parte a destra è invece disposto un elettrodo di zinco (che costituisce
il polo negativo, o ANODO, cioè quello dove entrano le cariche positive),
immerso in una soluzione di solfato di zinco ܼܱ݊ܵସ . Nella soluzione sono
quindi presenti lo ione ܼ݊ାା e lo ione ܱܵସିି .
Figura 2.1 – Schema della pila Daniell.
Collegando i due elettrodi con una lampadina si ha il passaggio di una
corrente, testimoniato dal fatto che la lampadina si accende. In particolare
si nota che al polo positivo si ha deposizione di rame, mentre al polo
negativo si ha dissoluzione dello zinco.
La reazione complessiva che avviene è costituita dall’ossido-riduzione
࡯࢛ାା → ࡯࢛ + ૛ࢋ
ࢆ࢔ + ૛ࢋ → ࢆ࢔ାା
Lo ione rame ‫ݑܥ‬ାା in soluzione si deposita sull’elettrodo in rame, cedendo
la carica 2݁, mentre il corrispondente ione ܱܵସିି migra, tramite il setto,
nella seconda parte del contenitore, quella cioè dello zinco. Lo zinco del
polo negativo entra in soluzione acquisendo la carica 2݁ dallo ione rame e
compensa così l’equilibrio di cariche.
La reazione chimica sopra illustrata è esoenergetica, e tale energia di tipo
chimico, mantenendo separate le sedi in cui avvengono le reazioni, viene
40
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quindi convertita in energia elettrica, ed utilizzata mediante il circuito
collegato. Il prodotto della corrente per la differenza di potenziale misurata
tra i due elettrodi fornisce il valore della potenza elettrica in gioco. L’unità
base della cella elettrochimica è costituita quindi dagli elettrodi e
dall’elettrolita in cui sono immersi. Il valore di tensione dipende, come
detto, dai materiali costituenti l’unità base, e tale valore si mantiene
all’incirca costante durante il ciclo di lavoro del dispositivo (con
andamento decrescente in fase di scarica); in particolare, in base quindi alle
esigenze applicative, in relazione alla d.d.p. necessaria si realizzano batterie
costituite da più celle collegate in serie.
2.1.2 Definizione di pila e accumulatore
Il processo chimico alla base del funzionamento, a seconda dei materiali
impiegati (ed in funzione delle applicazioni alle quali la pila è destinata),
può o meno essere reversibile, ovvero, iniettando una corrente nel circuito,
e quindi fornendo energia elettrica al dispositivo, la reazione si inverte
completamente e si ricostituiscono i materiali di partenza (tale processo
viene definito ELETTROLISI). In particolare si parla di PILA (o di BATTERIA
PRIMARIA) se il dispositivo è irreversibile: una volta che tutti i reagenti si
trasformano completamente nei prodotti finali, essa si scarica
definitivamente divenendo inutilizzabile. Se invece il dispositivo è
reversibile la cella elettrochimica prende il nome di ACCUMULATORE (o
BATTERIA SECONDARIA). Per quanto riguarda gli accumulatori, la più
importante applicazione risulta indubbiamente essere nel settore dei
trasporti, sia nei normali veicoli con motore endotermico (usati per
l’avviamento e per alimentare la fanaleria), sia soprattutto nei veicoli a
trazione puramente elettrica ed ibrida.
2.1.3 Dati di targa delle celle elettrochimiche
- Energia specifica: misura di quanta energia può accumulare la batteria per
unità di peso. Questo parametro ovviamente è importantissimo per un
veicolo stradale ed è uno dei limiti principali delle attuali batterie.
L’energia specifica viene misurata di solito in [Wh/kg] o [kWh/kg].
- Densità di energia: misura dell'energia che può accumulare la batteria per
unità di volume. Questo è un parametro forse meno importante del
precedente, ma lo stesso le batterie di un veicolo non possono essere troppo
41
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voluminose né troppo ingombranti. La densità di energia viene misurata di
solito in [Wh/l] o [kWh/l].
- Potenza specifica: misura della potenza che è in grado di fornire la
batteria per unità di peso in un determinato istante di tempo (solitamente un
impulso di breve durata). Questo parametro è importante per ciò che
concerne la corrente di spunto e quindi la coppia del motore. Solitamente
questa grandezza viene misurata in [W/kg] o [kW/kg].
- Cicli di vita: tutte le batterie si degradano gradualmente via via che
vengono utilizzate. Il numero di cicli di carica (e quindi di scarica)
ammissibile determina la vita media di una batteria. Questo ne influenza
ovviamente il costo.
- Tempo di ricarica: è un parametro molto importante per un veicolo
elettrico. Meno tempo ci vuole per ricaricare, più è pratico l'uso del veicolo.
- Auto scarica: tutte le batterie perdono progressivamente un po' di carica
quando sono lasciate ferme. Questo non è normalmente un problema, ma
può diventarlo se il veicolo deve essere lasciato fermo per un tempo molto
lungo, parecchi mesi per esempio. L'effetto può essere anche distruttivo per
quei tipi di batteria che vengono danneggiati da scariche profonde.
- Costo: questo è un parametro importantissimo, che dipende sia dai
materiali utilizzati sia dalla vita media della batteria. Anche una batteria
costosa può essere accettabile se dura a lungo. Viceversa, si può accettare
di dover cambiare una batteria spesso, purché costi poco.
2.1.4 Tipologie di accumulatori esistenti
Per le applicazioni veicolistiche, in relazione ai tipi di reagenti impiegati,
sono attualmente disponibili sul mercato differenti tipologie di
accumulatori:
42
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Accumulatori al piombo
Gli accumulatori al piombo utilizzano un anodo fatto di polvere di piombo
(Pb) spugnosa e un catodo di diossido di piombo (ܾܱܲଶ ). L’elettrolita è
una soluzione di acido solforico (‫ܪ‬ଶ ܱܵସ ) 4,5 M. La differenza di potenziale
ai poli è di 2,1 [V]: negli accumulatori per automobili, infatti, si trovano sei
celle Pb-acide in serie, che generano una differenza di potenziale
complessiva di 12 [V]. Questo tipo di batteria è presente ormai da più di un
secolo, tuttavia non è certamente la soluzione ottimale per il trasporto
elettrico. Il piombo, infatti, è uno degli elementi più densi che esistono e il
risultato è che le batterie al piombo sono molto pesanti. Questo tipo di
accumulatore possiede altri svantaggi: è sensibile al caldo e al freddo,
contiene acido solforico (sostanza chimica fortemente corrosiva e
pericolosa) e richiede parecchie ore per la ricarica. Forse il problema
principale delle batterie al piombo è però la loro durata limitata: infatti
“tollerano” dei cicli di carica e scarica non superiori alle 300 unità. Le
batterie al piombo sono sensibili ai sovraccarichi e alla scarica completa.
La tensione del singolo elemento non deve mai scendere sotto il valore
minimo di 1,12 [V], pena la solfatazione degli elettrodi e il
danneggiamento permanente dell'accumulatore. Devono essere utilizzate
soltanto con caricabatterie appositamente progettati. L'avvento di batterie al
Pb-gel sigillate ha migliorato la situazione della sicurezza rispetto a molti
anni fa; con tutti i loro difetti e grazie ai bassi costi di produzione queste
batterie sono comunque utilizzate per veicoli con prestazioni, se non
entusiasmanti, perlomeno accettabili.
Figura 2.2 – Schema di un accumulatore al piombo.
43
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Accumulatori al nichel
Il nichel è un metallo molto più leggero del piombo e possiede delle
proprietà elettrochimiche molto buone; Ci sono diverse tipologie di batterie
basate sull’utilizzo di questo metallo: le Ni-Cd, le Ni-MH, le Ni-Fe ed
infine le Ni-Zn. Le prime due sono certamente più interessanti dal punto di
vista della trazione elettrica e per tale motivo meritevoli di
approfondimento.
• Le batterie al Ni-Cd (nichel – cadmio) sono state uno dei primi
tentativi di superare i limiti delle batterie al piombo per veicoli
elettrici. In effetti, hanno una densità di energia maggiore di quella
delle batterie al piombo e si ricaricano molto più velocemente;
sopportano molto bene la carica rapida (della durata di circa un’ora),
la scarica completa, e la carica continuativa, potendo sopportare per
un tempo indefinito una corrente di 0,1 [cA]. Hanno una durata di
vita che può arrivare ad un massimo di 800÷1.000 cicli. Non
necessitando di un controllo di fine ricarica, il caricabatterie per la
ricarica lenta può quindi essere molto semplice ed economico. Per
questo motivo sono ancora molto utilizzate per piccoli apparecchi di
largo utilizzo (giochi, rasoi, ecc...). La reazione di ricarica è
endotermica: ciò rende possibile la ricarica rapida con correnti molto
elevate, anche 5 [cA] in particolari applicazioni, senza grossi
problemi di surriscaldamento.
Le note dolenti per ciò che riguarda questa tipologia di accumulatori
sono:
- Il cosiddetto “effetto memoria”: cioè se vengono ricaricate quando
non sono completamente scariche, “ricordano” la capacità residua e
rendono disponibile soltanto quella negli utilizzi successivi;
- L’alto costo di produzione e la difficoltà di smaltimento legati alla
presenza del cadmio limita l'utilizzo di questi accumulatori nelle
applicazioni di autotrazione, in cui i costi per le batterie non sono
trascurabili e non lo è nemmeno l’impatto ambientale.
Per i motivi appena elencati le batterie al Ni-Cd non trovano molto
spazio nell’autotrazione elettrica.
• Le batterie al Ni-MH (nichel – metal idruro) sono un tipo di
accumulatori che ha sostituito quelle al Ni-Cd e che è stato impiegato
44
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nei dispositivi elettronici portatili fino a non molto tempo fa. Come
densità di energia le batterie Ni-MH sono superiori alle batterie al
Ni-Cd di un fattore circa una volta e mezzo, o anche due in certi casi
e reggono più di un migliaio di cicli. Sopportano la carica rapida e la
scarica completa, non presentano l'“effetto memoria”, ma mal
tollerano la carica continua con correnti superiori a 0,025 [cA]. Sono
quindi necessari caricabatterie con circuito di fine ricarica, o con
limitazione della corrente. La reazione di ricarica in questo caso è
esotermica, il che limita la corrente di ricarica rapida a valori molto
bassi, al massimo 1,2 [cA], per scongiurare pericolosi aumenti di
temperatura. Un inconveniente, non particolarmente grave, è l'auto
scarica, leggermente superiore a quello delle Ni-Cd; un altro è la
sensibilità alle alte temperature.
Il costo specifico delle Ni-MH si colloca a metà tra quello della
batterie al piombo e quello delle batterie al Ni-Cd, cosa che le rende
ottime sostitute di queste ultime.
In Figura 2.3 è riportato il datasheet con le caratteristiche di un modulo di
batterie Ni-MH progettato per un veicolo ibrido. Tale documentazione è
stata reperita sul sito della SAFT [1].
Figura 2.3 – Datasheet di un modulo di batterie Ni-MH della SAFT.
45
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Accumulatori al litio
Il litio è il metallo più leggero in assoluto e presenta delle caratteristiche
molto interessanti dal punto di vista elettrochimico. Negli accumulatori
esso si presenta in tre diverse configurazioni: Li-ion, Li-poly e Li-metal.
Anche in questo caso le prime due tipologie sono le più interessanti, dato
che la terza configurazione, pur essendo potenzialmente migliore delle altre
due, ha il grosso svantaggio della sicurezza: il litio metallico, infatti, può
reagire violentemente con l'aria ed incendiarsi.
• Le batterie Li-ion (Litio – ione) sono quelle di gran lunga più
utilizzate nei dispositivi elettronici al giorno d’oggi. Il loro
funzionamento si basa sullo spostamento dello ione litio tra due
elettrodi diversi, uno di grafite, l'atro di ossido metallico, tipicamente
cobalto. Per queste batterie un corretto procedimento di ricarica è
vitale per evitarne il danneggiamento, quindi è richiesto un circuito
abbastanza complesso. Questo processo, infatti, deve avvenire in due
modalità distinte: prima a corrente costante di 1 [cA] e a tensione
costante di 4,2 ± 0,05 [V] fino al livellamento tra la tensione di
ricarica e quella della cella, a cui corrisponde un livello di carica del
65% circa; in seguito sempre a tensione costante ma a corrente
esponenzialmente decrescente finché la cella, trovandosi a 4,2 [V],
non assorba una corrente piccolissima di valore fornito dal
produttore.
Questo tipo di accumulatore possiede alti valori di energia specifica,
potenza specifica ed efficienza; riesce a mantenere buone prestazioni
anche ad elevate temperature ed ha un basso livello di auto scarica.
• Le batterie Li-poly (Litio – polimero) sono tra le ultime ad essere
entrate sul mercato. A differenza delle precedenti sfrutta un
elettrolita solido che, come dice il nome stesso, è di natura
polimerica. Le modalità di ricarica e di gestione sono molto simili a
quelle elencate in precedenza per le Li-ion, con cui, dunque,
condividono le modalità di utilizzo. Tuttavia, i polimeri di litio, per
la loro conformazione naturale, rendono la batteria robusta e
compatta, nonché più evoluta in chiave di sicurezza; i valori di targa
sono pressoché identici a quelli delle Li-ion.
46
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Un ultimo vantaggio, infine, è dato dal fatto che queste celle possono
essere progettate in qualsiasi misura e forma richieste, in base
all’alloggiamento previsto.
Le Li-ion e le Li-poly sono le batterie con la più alta densità di energia
esistenti, si ricaricano alla svelta e durano a lungo: in sostanza hanno tutte
le carte in regola per diventare il “carburante” del futuro. Gli unici
inconvenienti sono legati ai costi di produzione, ancora troppo alti, e la loro
estrema delicatezza: per quanto detto, queste batterie sopportano soltanto il
tipo di carica descritto, quindi non la carica veloce, anche se possono essere
ricaricate in modo parziale non presentando l'“effetto memoria”.
Le figure seguenti riportano alcune informazioni relative alle batterie Lipoly prodotte dalla ditta KOKAM [2].
Figura 2.4 – Datasheet delle celle Li-poly ad alta densità di energia della KOKAM.
47
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Figura 2.5 – Datasheet delle celle Li-poly ad alta potenza della KOKAM.
Figura 2.6 – Datasheet delle celle Li-poly ad altissima potenza della KOKAM.
Figura 2.7 – Foto di alcuni modelli prodotti e grafico relativo alla potenza specifica
contenuta nelle celle KOKAM rispetto alla loro densità di energia.
48
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Accumulatori ZEBRA
Innanzitutto il termine ZEBRA è l’acronimo di “Zero Emission Battery
Research Activity”. Queste batterie sono di origine militare; venivano
usate, e lo sono tuttora, nei sommergibili per le ragioni che seguono: sono
eccellenti batterie, leggere e che durano molti anni, si ricaricano alla svelta
e sono robuste. Con queste batterie, si fanno dei veicoli che hanno poco da
invidiare, come prestazioni ai veicoli convenzionali. Il loro problema sta
nel fatto che funzionano soltanto ad alta temperatura, intorno ai 300 gradi.
Se questo non è un problema per un sommergibile, la cosa diventa invece
difficilmente gestibile per un veicolo terrestre soprattutto se di dimensioni
ridotte. In pratica, queste batterie si possono usare solo per veicoli
relativamente grandi, dove la massa aiuta a mantenere la temperatura alta
senza sprecare troppa energia. D'altra parte se la batteria viene riportata a
temperatura ambiente, rimane congelata e non ha problemi di
immagazzinamento. Queste batterie sono ancora un po' costose ma
potrebbero rivelarsi una tecnologia importantissima per il trasporto pesante
e per mezzi pubblici tipo autobus e comunque per veicoli che non
rimangono fermi a lungo. Sono prodotte e commercializzate dalla ditta
MES-DEA [3].
Figura 2.8 – Foto di alcuni modelli prodotti, grafico a torta relativo ai materiali di
composizione e datasheet del modulo di batteria zebra montato su alcune auto prodotte
dalla MES-DEA.
49
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Accumulatori di altra natura
Tra le altre tipologie di accumulatori si possono citare batterie Vanadio
Redox (VRB) dove il materiale che si ossida/riduce (Vanadio) è in forma
liquida piuttosto che solida. Questo ha il grande vantaggio che gli elettrodi
non si degradano. Le batterie al Vanadio Redox sono promettenti, ma
anche piuttosto ingombranti e, per il momento, ancora allo stadio
prototipale.
Si possono citare infine le batterie Metallo-Aria dove il metallo può
essere, tipicamente, zinco, ma anche ferro, magnesio e alluminio. Queste
batterie hanno buone densità energetiche, sono affidabili e costano
relativamente poco. Il problema è che non sono ricaricabili, il che complica
enormemente il loro uso per la trazione veicolare. Non che sia impossibile
usarle, ma non si riportano usi commerciali, soltanto militari.
Nella Tabella 2.1 sono riportati i valori delle grandezze appena elencate
relativi alle tipologie di batterie più diffuse nel mondo dell’autotrazione.
Piombo
Energia specifica
[Wh/kg]
Densità di energia
[Wh/l]
Potenza specifica
[W/kg]
Cicli di vita (fino
all’80% della capacità
iniziale)
Tempo di ricarica [h]
Auto scarica
Tensione nominale
cella [V]
Temperatura di
esercizio [°C]
Costo [$/kWh]
30÷50
Ni-Cd N i - M H L i -i o n
45÷
130÷
60÷120
80
170
L i -p o l y
Zebra
160÷190
120
120
110
150
210
210
180
200
400
200
370
370
170
200÷
300
500
1000÷
1200
500÷
1000
1200÷
1500
>1000
8÷16
1
2÷4
2÷4
2÷4
5%
20%
30%
10%
~10%
2
1,25
1,25
3,6
3,6
2,58
-20÷60
-40÷
60
-20÷60
0÷60
~300
120÷
150
600
-20÷
60
300÷
450
300÷
500
300÷
500
~570
4÷8
14% al
giorno
Tabella 2.1 – Dati indicativi relativi alle tipologie di accumulatori citati.
50
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2.2
Ultracapacitors
Gli ultracapacitors, anche conosciuti come supercapacitors o
supercapacitori, accumulano l'energia elettrica in due condensatori in serie
a doppio strato elettrico EDL (Elettrochemical Double Layer).
L’ultracapacitor più semplice è formato da due elettrodi polarizzabili, un
separatore e un elettrolita; il campo elettrico è immagazzinato nelle
interfacce tra l'elettrolita e gli elettrodi. Le cariche elettriche si dispongono
all’interfaccia elettrodo/elettrolita dell’ultracapacitor in modo fisico e non
si hanno processi chimici di ossido-riduzione.
Gli ultracapacitors sono interessanti per la loro elevata densità di potenza e
per la loro grande durata; inoltre, l'immagazzinamento di energia è più
semplice e più reversibile rispetto alle batterie convenzionali.
Il rovescio della medaglia del processo fisico sta nel fatto che la quantità di
carica accumulabile in un ultracapacitor è limitata e dipende dalla
superficie di interfaccia elettrodo/elettrolita.
Figura 2.9 – Schema di un ultracapacitor.
Questi dispositivi possono essere di diversa tipologia, differenti per tipo di
elettrodo o di elettrolita; quelli maggiormente studiati e commercializzati
utilizzano elettroliti in soluzione acquosa o organica ed elettrodi a base di
carbone di alta area superficiale; per aumentare l'area superficiale degli
elettrodi si stanno sviluppando materiali contenenti nanotubi di carbonio.
Altre ricerche, invece, mirano ad ottenere elettrodi composti da film di
carbonio nanostrutturato. La presenza di molti vuoti e canali tra i grani di
questo film suggerisce una elevata porosità e una bassa densità del
materiale; misure di riflettività ai raggi X hanno confermato quest’ipotesi.
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Rispetto alla tecnologia basata sui nanotubi, che richiede una sequenza
complessa di passi, la deposizione da fasci supersonici di cluster appare
una tecnica più semplice e versatile.
L'elevata porosità dei film di carbonio nanostrutturato così depositati, fa sì
che la grande superficie attiva disponibile (1.400 [m2/g]) permetta di
raggiungere i valori seguenti:
- capacità specifica 75 [F/g];
- massima densità di energia 76 [Wh/kg];
- massima densità di potenza 506 [kW/kg].
I condensatori a doppio strato, rispetto alle batterie elettrochimiche, non
sono soggetti ad usura: sopportano più di 500.000 cicli di carica/scarica con
una durata di vita minima di 10 anni, senza che la capacità si modifichi in
funzione del tempo.
E' particolarmente importante la loro capacità di poter essere caricati e
scaricati a correnti molto elevate. Per questa ragione sono il mezzo adatto
per i cosiddetti freni rigenerativi nei veicoli elettrici ed ibridi. In questo
modo l'energia cinetica viene trasformata in energia elettrica che, una volta
richiesta dal carico, può essere nuovamente utilizzata.
Soprattutto nel traffico cittadino, i cui cicli di guida sono caratterizzati da
continue accelerazioni e frenate, è possibile in questo modo risparmiare una
discreta percentuale di energia.
Potenziali di risparmio simili si ottengono anche nel traffico pubblico
locale su rotaia; infatti, sono in grado di accumulare l'energia di una
metropolitana durante la fermata per poi cederla al riavvio successivo.
Considerando le numerose fermate e ripartenze di questi mezzi è intuitivo il
recupero energetico che ne deriva, per queste applicazioni sono già
commercialmente disponibili i sistemi appropriati.
Presso l’Istituto CNR-ITAE di Messina è in corso un’attività di ricerca,
finanziata dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, orientata a sviluppare un
ultracapacitor che per tipologia può ritenersi, sul panorama scientifico
internazionale, completamente innovativo.
L’innovazione consiste nel realizzare un dispositivo costituito solo da
componenti solidi e cioè nell’utilizzare al posto dei tradizionali elettroliti
liquidi un elettrolita solido polimerico. A tale tipologia di supercapacitore è
stato dato il nome di supercapacitore tutto-solido. Nel medio termine si
52
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prevede di ottenere da questo dispositivo migliori prestazioni e maggiore
sicurezza e durata rispetto ai sistemi convenzionali.
In Figura 2.10 si può vedere un datasheet nel quale sono riportate alcune
grandezze relative agli ultracapacitors prodotti dalla ditta MAXWELL [4].
Figura 2.10 – Specifiche degli ultracapacitors prodotti dalla ditta MAXWELL.
53
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2.3
Batterie a volano
Il FES, acronimo di Flywheel Energy Storage, è un dispositivo
elettromeccanico atto all'immagazzinamento di energia sotto forma di
energia cinetica rotazionale.
L'idea di base è accumulare energia ponendo in rapida rotazione un volano,
realizzando perciò una batteria inerziale. Grazie a questo dispositivo si
possono accumulare grandi quantità di energia in un oggetto dalle
dimensioni piuttosto limitate rispetto ad altri tipi di accumulatore, come ad
esempio le celle elettrochimiche.
La tecnologia in questione, nonostante il principio inerziale di una massa
rotante sia conosciuto da moltissimo tempo, è ancora in stadio sperimentale
ma appare molto promettente: una volta caricato, il FES mantiene una
carica utile per anni (la velocità di rotazione diminuisce di pochissimi
giri/anno), richiede pochissima manutenzione, ma soprattutto può essere
scaricato e ricaricato in tempi brevissimi rispetto agli attuali accumulatori
elettrochimici; ciò consente di avere picchi di potenza significativi e una
maggiore indipendenza dalla rete di distribuzione.
2.3.1 Descrizione del dispositivo
Una tipica batteria a volano consiste in un rotore a sospensione magnetica
posto all'interno di una camera a vuoto che ne riduce l'attrito. Il dispositivo
viene caricato e scaricato tramite un sistema elettromeccanico che, in fase
di carica preleva energia dall’esterno per aumentare la velocità di rotazione,
in fase di scarica converte l’energia cinetica in energia elettrica utile ad
alimentare un carico.
La sospensione magnetica si rende indispensabile in quanto le normali
trasmissioni del volano elettromeccanico provocano attriti direttamente
proporzionali alla velocità rotazionale causando notevoli perdite di
prestazioni. Le alte temperature operative hanno suggerito agli sviluppatori
di utilizzare impianti di raffreddamento e superconduttori diamagnetici.
Perdite parassite come attriti ed isteresi delle trasmissioni, e/o i costi di un
impianto di raffreddamento possono limitare l'economicità sebbene gli
sviluppi recenti della tecnologia dei superconduttori abbiano permesso
teoricamente di superare queste difficoltà. È stato dimostrato che
attualmente allo stato dell'arte, una batteria a volano possiede una densità
di carica dell'ordine dei 500 [kJ/kg], un’efficienza che supera ampiamente
54
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il 90% ed una potenza utile che può raggiungere i 133 [kW]. Inoltre, come
già accennato, una carica può durare alcune decadi, il suo tipico ciclo vitale
è compreso tra 10 5 e 107 ricariche complete e la sua ricarica ai massimi
livelli energetici può richiedere anche soli 15 minuti.
2.3.2 Inconvenienti e sicurezza delle batterie a volano
L'aumento della massa e del diametro oltre a certi valori, non sono
tollerabili nei mezzi mobili, lasciando spazio solo alla variabile velocità.
Un effetto collaterale del volano nei mezzi di trasporto è dato inoltre
dall'effetto giroscopico, che produce una forza ortogonale se si cerca di
variare l'orientamento dell'asse di rotazione. Una possibile soluzione
consiste nel disporre il volano orizzontalmente, con l'asse parallelo all'asse
di rotazione del mezzo oppure, come effettivamente attuato su alcuni
prototipi, l'impiego di più volani contrapposti che bilanciano il loro effetto
ruotando inversamente l’uno rispetto all’altro.
Un aspetto non trascurabile è, inoltre, quello legato alla sicurezza. In caso
di incidente con rottura dell'involucro di protezione, il volano
continuerebbe a ruotare fino a scaricare l'energia accumulata, oppure
potrebbe liberarla molto più bruscamente esplodendo. Per avere un'idea
dell'energia che dovrebbe accumulare un FES montato su un’automobile, si
pensi che questa dovrebbe essere perlomeno nell'ordine di grandezza
dell'energia contenuta in un normale serbatoio di benzina (circa un terzo,
dato che il rendimento di un motore a combustione interna è circa un tre
volte inferiore a quello di un motore elettrico).
Si è stimato che, anche dopo avere spento l'automobile, il volano
continuerebbe a ruotare liberamente per anni prima di fermarsi a causa
delle perdite. A tal proposito sono stati studiati, per l'uso su vasta scala, dei
contenitori in kevlar i quali, in caso di incidente, farebbero entrare in
contatto il volano con il contenitore, portando quest’ultimo in rotazione; un
fluido interposto tra i due contenitori provvederebbe a disperdere
progressivamente l'energia sotto forma di calore. Il contenitore sarebbe
inoltre in grado di resistere all'improvvisa esplosione del sistema per un
ipotetico cedimento strutturale.
2.3.3 Applicazioni veicolistiche delle batterie a volano
55
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Nonostante siano stati costruiti svariati prototipi di automobili con batteria
a volano, la tecnologia è ancora largamente immatura ed i costi di
questi sistemi sono ancora molto elevati data la loro natura sperimentale.
Il volano meccanico è agevolmente impiegato nei tram, dove le limitazioni
di peso e volume sono meno stringenti rispetto all'automobile. La sua
funzione può essere quella di accumulare l'energia cinetica recuperata
durante le frenate e l'energia prodotta da celle a combustibile, per fare in
modo che sia impiegata durante l'accelerazione. In passato sono anche stati
studiati tram a volano privi di motore, dove il volano era frequentemente
ricaricato presso apposite stazioni.
Il FES ha trovato recentemente impiego anche in ambito sportivo a partire
dalla prima gara del campionato di Formula 1 2009. L'obiettivo della FIA
Formula One World Championship è stato quello di migliorare le
prestazioni energetiche delle monoposto da gara, ottenendo un duplice
beneficio, prestazionale ed ambientale. Nella fattispecie il regolamento
consente il recupero di un massimo di 400 [kJ] erogabili con una potenza
massima di 60 [kW] (pari a circa 80 [CV]) per la durata di 6,67 [s]. In
pratica durante una decelerazione il Kers (questo il nome dato al sistema)
recupera l'energia cinetica sottratta alla rotazione dell'albero motore e la
trasferisce alla batteria a volano accelerando il suo rotore che può
successivamente cedere l'energia accumulata.
Figura 2.11 – Schema di una batteria a volano.
56
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CAPITOLO 3. Sistema di propulsione elettrico e frenatura
rigenerativa
Il sistema di propulsione di un veicolo puramente elettrico è costituito da
uno o più motori elettrici; ad essi è demandata la funzione di trasformare
l’energia elettrica, fornita dai sistemi di accumulo, nella potenza necessaria
al moto. I mezzi ibridi, invece, sono dotati, oltre che di uno o più motori
elettrici, anche di un motore a combustione interna che, a seconda della
tipologia di architettura adottata, contribuisce alla creazione di potenza.
Nella fattispecie il sistema di propulsione dei veicoli ibridi può assumere
tre configurazioni differenti:
• Sistema ibrido serie - La potenza meccanica utile al movimento del
veicolo è fornita solamente dal motore elettrico. Il motore c.i.,
attraverso un generatore solidale ad esso, aiuta gli accumulatori a
trasferire potenza al motore elettrico nei momenti di picco; quando
ciò non si verifica integra la carica delle batterie.
• Sistema ibrido parallelo - La potenza meccanica è fornita sia dal
motore elettrico che da quello c.i.; i due propulsori sono collegati
meccanicamente alla trasmissione attraverso un accoppiamento che,
a seconda dei casi, può essere di coppia o di velocità.
• Sistema ibrido misto serie/parallelo - Anche in questo caso la
potenza è fornita sia dal motore elettrico che da quello c.i. ma, a
differenza della configurazione precedente, qui l’uno può lasciare
spazio all’altro e viceversa a seconda della situazione di carico. Con
questa architettura si massimizzano i benefici dei primi due sistemi
visti.
3.1
Caratteristiche del sistema di produzione della potenza
Ci sono due fattori limitanti il massimo sforzo di trazione di un veicolo; il
primo è imposto dal contatto ruota-suolo mentre il secondo è costituito dal
massimo sforzo di trazione che il sistema di produzione della potenza può
fornire. Il più piccolo di questi due fattori determina le prestazioni
potenziali del veicolo.
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Per applicazioni veicolari la caratteristica ideale per il sistema di
generazione della potenza è normalmente una zona a potenza costante per
un vasto intervallo di velocità. Di conseguenza, dunque, data l’equazione
che lega le due grandezze, la coppia decresce in maniera iperbolica come
mostrato nel grafico in Figura 3.1:
Figura 3.1 – Caratteristica ideale del sistema di propulsione.
Alle basse velocità, la coppia deve essere limitata in modo che non superi il
limite massimo dovuto alle leggi che regolano il già citato contatto ruotasuolo. La caratteristica a potenza costante fornisce al veicolo un alto sforzo
di trazione alle basse velocità rendendo così il veicolo particolarmente
performante in fase di partenza ed accelerazione.
Un motore a combustione interna ha una caratteristica coppia/velocità
distante da quella ideale richiesta da un sistema di trazione. La potenza che
questo propulsore è in grado di erogare ha un andamento pseudo parabolico
e raggiunge il picco a velocità di rotazione piuttosto elevate come
testimonia la Figura 3.2:
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Figura 3.2 – Caratteristica tipica di un motore a combustione interna.
Inoltre nei motori c.i. non si ha una spiccata variazione di coppia in
funzione della velocità. Proprio per tale motivo viene usualmente utilizzato
un sistema di trasmissione multi marcia con il compito di adattare le
caratteristiche del motore a quelle del carico (vedi Figura 3.3).
Figura 3.3 – Sforzo di trazione alla ruota con una trasmissione multimarcia tipico di un
motore a combustione interna.
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Un motore elettrico, invece, possiede una caratteristica coppia/velocità
molto più prossima a quella ideale come dimostrato in Figura 3.4:
Figura 3.4 – Caratteristica tipica di un motore elettrico.
Generalmente un motore elettrico ha un transitorio iniziale caratterizzato da
una potenza crescente in maniera lineare e un andamento di coppia
costante; all’aumentare della tensione aumenta la velocità del motore,
mentre il flusso rimane invariato. Oltre una certa velocità di rotazione
(velocità base), la tensione rimane costante e il flusso varia (deflussaggio);
questo comporta una potenza di uscita costante mentre la coppia declina
iperbolicamente con la velocità. Siccome, come già detto in precedenza, il
profilo coppia/velocità di un motore elettrico è vicino a quello ideale,
richiesto da un generico sistema di propulsione, viene usualmente utilizzata
una trasmissione a singola marcia.
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3.2
Sistema elettrico di propulsione
Il sistema elettrico di propulsione è il cuore dei veicoli elettrici e dei veicoli
ibridi in configurazione serie. Esso consiste nel motore elettrico, i
convertitori di potenza e i controllori elettronici. Il motore elettrico
converte l’energia elettrica in energia meccanica per la propulsione del
veicolo, o viceversa, genera elettricità che viene immagazzinata nel sistema
di accumulo. Il convertitore di potenza ha il compito di fornire al motore i
giusti valori di tensione e corrente per il corretto funzionamento del
sistema. Il controllo elettronico, infine, svolge la delicata funzione di
comandare il convertitore e verificare se il sistema funzioni correttamente,
erogando coppia, potenza e velocità richieste dall’esterno.
La scelta del sistema di propulsione per un veicolo elettrico dipende da un
gran numero di fattori che includono le aspettative di guida, i limiti del
veicolo e le fonti di energia.
Le aspettative di guida sono definite dall’accelerazione della vettura, dalla
sua velocità massima, dalla capacità di affrontare una salita più o meno
ripida, dalla frenata e dagli intervalli di funzionamento. I limiti del veicolo
sono invece correlati al suo volume e peso, mentre le fonti di energia si
riferiscono al sistema di accumulo utilizzato: batterie, ultracapacitors ecc.
Le macchine elettriche utilizzate negli EV devono essere in grado di fornire
alti valori di coppia alle basse velocità, alte accelerazioni e decelerazioni il
tutto in un ampio range di funzionamento, ma soprattutto devono poter
sopportare frequenti cicli di avvio e arresto.
I motori possono essere divisi in due gruppi principali: quelli dotati di
commutatori meccanici e quelli senza. Le macchine elettriche dotate di
commutatori sono i tradizionali motori a corrente continua (DCM); quelle
senza commutatori invece sono i classici motori a induzione (IM), i motori
sincroni a magneti permanenti (PMSM) ed infine i motori a riluttanza
variabile (SRM).
I DCM, proprio a causa della presenza di contatti striscianti, risultano meno
affidabili e inadatti alle alte velocità. Gli sviluppi tecnologici che hanno
investito il settore negli ultimi anni, hanno permesso ai motori senza
commutatori di avere alcuni vantaggi rispetto a quelli che invece li hanno,
tra i quali una maggiore efficienza, una maggiore densità di potenza e un
costo operativo più basso; essi sono inoltre più affidabili e meno bisognosi
di manutenzione.
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3.2.1 Direct current motor (DCM)
Il motore in corrente continua a commutatore è una macchina molto
versatile e naturalmente adatta ad azionamenti a velocità variabile. Essa
presenta un avvolgimento di eccitazione disposto su uno statore a poli
salienti e un avvolgimento di armatura disposto sul rotore, al quale si
accede attraverso un commutatore a spazzole e lamelle. Alimentati in
continua, l’avvolgimento statorico produce il flusso di eccitazione mentre
l’avvolgimento di rotore produce la corrente di armatura. Grazie all’azione
del commutatore, la coppia erogata è semplicemente proporzionale al
prodotto tra il flusso di eccitazione e la corrente di armatura. La velocità di
rotazione cresce con l’aumentare della tensione di armatura ad eccitazione
costante, e col diminuire del flusso di eccitazione a tensione costante
(deflussaggio).
La strategia di controllo prevede un campo di funzionamento a coppia
costante da zero alla velocità base, in corrispondenza della quale la
tensione raggiunge il suo valore massimo; quindi un campo a potenza
costante reso possibile dalla riduzione del flusso di eccitazione.
Queste caratteristiche, ottimali per un motore di trazione, possono essere
ottenute con una struttura di alimentazione ed un sistema di controllo poco
sofisticati. L’avvolgimento di armatura può essere alimentato dalla batteria
attraverso un semplice convertitore DC/DC (chopper), a due quadranti (se
richiesto un solo senso di marcia) o a quattro quadranti. Questa soluzione
consente il recupero di energia in fase di frenatura o nei percorsi in discesa,
essenziale per aumentare l’autonomia del mezzo. Riguardo l’avvolgimento
di eccitazione, per consentire il deflussaggio, è sufficiente sia alimentato
attraverso un (secondo) chopper a singolo quadrante (eccitazione separata),
la cui potenza nominale è normalmente molto più piccola rispetto a quella
richiesta da circuito di armatura.
Per le ragioni elencate il DCM, nonostante la complessità costruttiva del
rotore e il costo, trova largo impiego nelle applicazioni per trazione.
A fronte dei vantaggi questo tipo di motore presenta però due grandi
problemi legati proprio al suo principio di funzionamento, che ne
sconsigliano l'utilizzo in applicazioni come quella trattata: essendo dotati di
un sistema di eccitazione che assorbe potenza e di contatti striscianti tra
statore e rotore (spazzole), questa tipologia di motori obbliga ad avere una
bassa efficienza, un alto tasso manutenzione e dinamiche di funzionamento
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poco spinte. Le spazzole, infatti, degradandosi nel tempo hanno bisogno di
frequenti sostituzioni impedendo alte prestazioni dinamiche.
Il primo problema tuttavia, può essere parzialmente risolto utilizzando dei
magneti permanenti al posto degli avvolgimenti di eccitazione statorici,
apportando i seguenti benefici:
• Il sistema di eccitazione non assorbe energia e quindi non produce
perdite, aumentando l'efficienza complessiva;
• La coppia e la potenza ottenibili per volume unitario di macchina
sono molto più alte;
• Utilizzando magneti che producono un valore più alto della densità
di flusso al traferro si riescono ad ottenere prestazioni dinamiche più
elevate;
• La costruzione e la manutenzione sono semplificate;
• Si riducono i costi di produzione.
Il costo da pagare risiede però dell'impossibilità di utilizzare la corrente di
eccitazione per il controllo del motore, precludendo ogni possibilità di
deflussaggio e quindi limitando la velocità massima raggiungibile. A
questo svantaggio corrisponde, a parità di potenza necessaria
all'applicazione, e quindi di corrente negli avvolgimenti, un incremento
della coppia, e conseguentemente delle dimensioni della macchina,
proporzionale alla diminuzione della velocità alla quale tale potenza è
erogata.
Figura 3.5 – Modello funzionale di un DCM.
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3.2.2 Induction motor (IM)
Il motore a induzione è un motore alimentato in corrente alternata in cui la
velocità di rotazione dell'albero è minore della velocità di rotazione del
campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore: per questo motivo
è altresì chiamato motore asincrono. Lo statore contiene in genere un
numero pari di avvolgimenti: un motore trifase possiede normalmente sei
avvolgimenti, ovvero tre coppie polari.
I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono collegati in serie e
disposti fisicamente l'uno di fronte all'altro. Le coppie polari sono
alimentate da una terna di correnti sinusoidali sfasate di 120° che
producono un campo magnetico rotante la cui velocità è legata alla
frequenza di alimentazione. Il rotore è dotato di un certo numero di fasi di
norma chiuse in corto circuito e la sua configurazione tipica è quella a
“gabbia di scoiattolo”.
L’IM è un motore molto diffuso a livello industriale, robusto, caratterizzato
da buona efficienza ed affidabilità, costruttivamente semplice e quindi poco
costoso. Ha una potenza specifica più elevata rispetto ai DCM grazie
all’assenza del collettore ed alla sua maggior velocità di rotazione che può
risultare, con tecnologie convenzionali, dell’ordine dei 15÷20 mila [rpm]
contro i 6÷7 mila del DCM; tuttavia ad alte velocità le perdite nel rotore
(ad opera dell’effetto Joule) possono diventare consistenti e può essere
necessario predisporre un sistema di raffreddamento.
I motori ad induzione presentano delle caratteristiche che permettono di
usufruire di un’efficiente frenatura rigenerativa la quale può essere ottenuta
facilmente agendo in modo opportuno sul sistema di controllo (inverter)
senza bisogno di ulteriori componenti aggiuntivi.
Se si esclude il cambio dei cuscinetti, il motore a induzione non necessita
di alcun intervento di manutenzione: infatti a differenza del DCM non
prevede contatti striscianti e/o commutatori elettromeccanici, compreso il
collettore a lamelle. In tal modo risulta allo stesso tempo robusto, affidabile
e di piccole dimensioni (a parità di potenza). Rispetto al PMSM di tipo
SPM invece, l’IM necessità di un controllo più complesso a causa della non
linearità del suo modello dinamico. Per la sua implementazione non si può
prescindere dall’impiego di un microprocessore dedicato, come un
microcontrollore o un DSP.
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Figura 3.6 – Modello funzionale di un IM.
3.2.3 Permanent magnet synchronous motor (PMSM)
Il motore sincrono a magneti permanenti è un motore in corrente alternata
con un avvolgimento trifase sullo statore (a ferro liscio),
liscio) e magneti
permanenti sul rotore che forniscono il flusso di eccitazione.
Esso risolve i problemi del DCM prima elencati (infatti non necessita né
del commutatore né del circuito di eccitazione), a scapito di una maggiore
complessità della struttura di alimentazione,
alimentazione, del sistema di controllo, e la
necessità di alcuni sensori aggiuntivi.
Sfruttando, infatti, la teoria del controllo ad orientamento di campo (o
vettoriale), è possibile individuare due componenti nella corrente di statore:
la corrente direttaa (o di asse “d”)) che produce flusso allineato con i
magneti di rotore, e la corrente in quadratura (o di asse “q”) che produce
flusso ortogonale ad esso. Agendo indipendentemente su tali componenti è
possibile regolare la coppia e funzionare in zona di deflussaggio,
deflussaggio, per talune
soluzioni costruttive con ottime prestazioni. Vi sono due principali
tipologie di PMSM: gli SPM e gli IPM.
3.2.3.1
PMSM - SPM
La soluzione costruttiva con magneti disposti sulla superficie della struttura
ferromagnetica di rotore (surface
(surface permanent magnet, SPM), isotropa dal
punto di vista magnetico, rende la coppia semplicemente proporzionale alla
corrente in quadratura. Il deflussaggio si ottiene, al di sopra della velocità
base, applicando correnti dirette negative; ma l’elevato valore della caduta
reattiva prodotta da questa corrente addizionale riduce rapidamente la
capacità di coppia e non è possibile estendere il campo di funzionamento di
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molto. Il motore deve quindi essere progettato per avere una velocità base
uguale alla massima.
Nei motori SPM i magneti sono realizzati con segmenti (“tegolini”)
incollati sul ferro di rotore. Per impedirne il distacco ad alta velocità, a
causa della forza centrifuga, occorre prevedere opportuni accorgimenti
quali anelli o camicie di tenuta di materiale amagnetico. L’ondulazione di
coppia dovuta all’impuntamento dei magneti sui denti di statore viene
normalmente risolto inclinando (rispetto l’asse di rotore) i tegolini. In
questo modo si può utilizzare uno statore a cave diritte di semplice
assemblaggio, in sostanza uguale a quello utilizzato per le macchine
asincrone.
Figura 3.7 – Sezione rotorica di un PMSM - SPM.
3.2.3.2
PMSM - IPM
La soluzione costruttiva con magneti annegati nella struttura
ferromagnetica di rotore (interior permanent magnet, IPM), anisotropa dal
punto di vista magnetico, rende la coppia funzione non lineare delle due
componenti di corrente. Come per l’SPM il deflussaggio si ottiene
applicando correnti dirette negative; ma nell’IPM tale componente
contribuisce a produrre coppia, ed è possibile mantenere una capacità di
coppia importante per un campo di funzionamento esteso al di sopra della
velocità base. Inoltre, essendo i magneti inseriti all’interno del pacco
ferromagnetico di rotore, non vi sono problemi di distacco alle alte velocità
e la struttura meccanica risultante è estremamente più robusta. Questi
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aspetti rendono il motore IPM molto interessante per le applicazioni di
trazione.
L'unico punto debole di questo tipo di motori è rappresentato proprio dai
magneti: questi infatti non devono mai essere sottoposti (in deflussaggio)
ad un campo magnetico inverso maggiore del valore del campo coercitivo o
ad una temperatura superiore al punto di Curie, pena la loro
smagnetizzazione.
Figura 3.8 – Sezione rotorica di un PMSM - IPM.
3.2.3.3
Vantaggi dei motori sincroni a magneti permanenti
L'assenza del commutatore e il rotore senza avvolgimenti portano ai motori
sincroni a magneti permanenti, sia SPM che IPM, dei vantaggi innegabili
rispetto ad un DCM, sia esso con magneti permanenti oppure no:
• Dal punto di vista costruttivo il motore è molto più semplice,
orientativamente come un motore asincrono a gabbia;
• Non richiede manutenzione di sorta, se non per i cuscinetti dell'albero;
• In molti casi è più economico, a seconda del costo dei magneti, poiché
vengono preferibilmente utilizzati magneti alle terre rare, di prestazioni
elevate (ma piuttosto costosi);
• Il rotore, elemento nel quale è molto difficile smaltire calore, è, come si
suole dire, “freddo”, rendendo necessario solo il sistema di raffreddamento
per lo statore, nel quale tra l'altro c'è un buon trasferimento di calore verso
l'esterno;
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• Non vi sono le perdite per l'eccitazione e l'efficienza complessiva è
maggiore, permettendo di aumentare la densità di potenza;
• L'alto valore ottenibile della densità di flusso al traferro e la bassa inerzia
del rotore si traducono in considerevoli miglioramenti della risposta
dinamica; in definitiva, il rapporto coppia/inerzia è più elevato;
• Non ci sono limitazioni di velocità dipendenti dallo scintillio della
corrente nelle spazzole;
• A parità di prestazioni, il volume può essere ridotto di oltre il 40%.
L’introduzione dei motori sincroni a magneti permanenti in luogo dei
tradizionali motori in corrente continua a commutatore ha portato
all’utilizzo, per riferirsi ai primi, del termine inglese “brush-less” (senza
spazzole), ad indicare la principale caratteristica distintiva.
In relazione ai motori a induzione (IM) invece, i motori PMSM, si
contraddistinguono per la loro efficienza anche ad elevate velocità di
rotazione: essi infatti, lungo tutta la caratteristica coppia-velocità riescono a
mantenere rendimenti superiori al 92%.
3.2.3.4
Azionamenti brush-less
L’azionamento di un PMSM (azionamento brush-less) è più complesso
rispetto ad un azionamento per un DCM o un IM. Dal punto di vista del
controllo, è utilizzata la classificazione in azionamenti brush-less AC
(alimentati con correnti sinusoidali) e brush-less DC (alimentati con
correnti ad onda quadra).
Il controllo brush-less AC viene utilizzato per motori dotati di forza
elettromotrice indotta sinusoidale, ottenuta con un avvolgimento distribuito
di statore. L’alimentazione avviene attraverso un inverter trifase comandato
con tre rami contemporaneamente attivi durante l’intero periodo elettrico,
in modo da generare correnti sinusoidali. Il comando dell’inverter è di tipo
PWM (pulse width modulation), a partire da un controllo di corrente
(current regulated PWM, CR-PWM) ad orientamento di campo, che
richiede l’impiego di almeno due sensori di corrente e di un trasduttore di
posizione di risoluzione sufficientemente elevata (encoder o resolver) per
l’individuazione dell’asse dei magneti di rotore.
Il controllo brush-less DC viene utilizzato per motori dotati di forza
elettromotrice indotta trapezoidale, ottenuta con un avvolgimento
concentrato di statore (disposto su espansioni polari). L’alimentazione
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avviene attraverso un inverter trifase comandato con due rami
contemporaneamente attivi ed il terzo aperto durante ogni sesto di periodo
elettrico, in modo da generare correnti ad onda quadra. Il comando
dell’inverter è ancora di tipo CR-PWM, ma il controllo può essere
effettuato su un’unica corrente di retroazione, eventualmente misurata
all’ingresso dell’inverter, e il trasduttore di posizione deve solo rilevare il
sesto di periodo del flusso dei magneti (bastano delle sonde ad effetto
Hall). Il controllo è quindi più semplice che nel caso del motore
sinusoidale.
3.2.3.5
Tendenze attuali nelle applicazioni per trazione
Negli ultimi anni, con lo sviluppo dell’elettronica di potenza, anche il
settore dei motori elettrici ha presentato delle innovazioni sostanziali, tra
cui magneti permanenti ad alta energia, nuove tipologie di motori e validi
sistemi di progettazione assistita da calcolatore (CAD).
I magneti permanenti al neodimio–ferro–boro, introdotti nel 1983,
presentano un alto campo coercitivo e flusso residuo ad un costo
relativamente ridotto, permettendo quindi la realizzazione di macchine ad
alta densità di potenza ed efficienza. Magneti tipo le ferriti, ancorché
limitati nelle prestazioni, continuano ad essere preferiti nelle applicazioni a
basso costo. Analisi recenti dimostrano che le vendite dei motori in
corrente continua crescono ogni anno ad un ritmo decisamente esiguo
rispetto a quelle dei motori a corrente alternata, e la stessa tendenza si vede
negli azionamenti con motore a corrente continua a commutazione
comparati con gli azionamenti con motore a magneti permanenti brushless, grazie ai vantaggi precedentemente analizzati.
Nel settore della trazione “leggera” (monopattini, bici e scooter elettrici,
veicoli a tre ruote, etc.) sono usati motori DCM o PMSM. Il tipo di
applicazione consente lo sviluppo di motori ad accoppiamento diretto con il
mozzo o addirittura integrati nella ruota: in pratica assumono la
configurazione Direct Drive tanto di moda qualche anno fa sulle lavatrici.
Tali motori sono detti “hub motors” o “in-wheel motors” e al loro
sviluppo si stanno interessando aziende multinazionali come Siemens,
Michelin e Mitsubishi. Il progetto di questo tipo di motori è fatto rispetto a
velocità base più basse rispetto a quelle dei motori convenzionali; a
differenza di quest’ultimi presentano anche delle diverse caratteristiche
dimensionali sviluppandosi radialmente piuttosto che in direzione
69
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longitudinale: per tale motivo possiedono di norma un numero di poli
elevato. Nel caso dei motori sincroni a magneti permanenti tali soluzioni
sono del tipo a magneti superficiali (SPM), sovente controllati con la
tecnologia brush-less DC vista prima. Soluzioni di questo tipo sono state
utilizzate in alcuni prototipi di auto elettriche presentati alle ultime edizioni
delle fiere internazionali e promettono di rivoluzionare il settore
dell’autotrazione elettrica nei prossimi anni.
Per applicazioni nel settore della trazione pesante (bus, metro, treni) infine,
si consolida la tendenza di rimpiazzare i classici motori in corrente
continua (DCM) con gli asincroni controllati ad orientamento di campo
(IM): a causa delle alte potenze in gioco il risparmio derivato dall’alta
efficienza dei primi perde significato rispetto al loro cospicuo costo
d’impianto facendo di gran lunga preferire gli IM.
70
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3.2.4 Variable reluctance motor (VRM)
Il motore a riluttanza variabile è caratterizzato da una struttura semplice
nella quale lo statore e il rotore in ferro vengono magnetizzati dalla
corrente attraverso l’avvolgimento di statore. Il funzionamento si basa sul
fatto che, in seguito all’attivazione di un avvolgimento di statore, il rotore
sotto l’azione del campo magnetico creato da quest’ultimo, tende a disporsi
nella posizione di riluttanza minima e quindi ruota. Il rotore segue dunque
in sincronismo la rotazione del campo magnetico induttore, grazie
all’incanalamento preferenziale del flusso nei canali di minima riluttanza.
La velocità di rotazione viene controllata modificando la durata di tempo in
cui scorre la corrente per ogni impulso.
Il motore a riluttanza variabile ha un struttura semplice, robusta e a basso
costo. La macchina presenta un rotore senza avvolgimenti né magneti
permanenti; di conseguenza, le perdite di potenza per effetto Joule sono
sostanzialmente limitate agli avvolgimenti di statore limitando dunque il
riscaldamento del sistema.
Figura 3.9 – Principio di funzionamento di un VRM.
71
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3.3
Frenatura rigenerativa
Una delle più importanti caratteristiche dei veicoli elettrici ed ibridi è la
loro capacità di poter recuperare l’energia che dissipano in fase di frenata.
Il motore elettrico è controllato in modo tale da operare come generatore
per convertire l’energia cinetica posseduta dal veicolo in energia utile a
reintegrare la carica degli accumulatori.
La frenatura rigenerativa nei veicoli dotati di propulsore elettrico è di vitale
importanza in quanto, come detto più volte in precedenza, l’handicap
principale di questi mezzi è proprio l’autonomia; sfruttare al massimo
l’energia contenuta negli accumulatori risulta dunque essenziale.
Il già citato Kers, acronimo di Kinetic energy recovery system, permette
tutto ciò: tramite questo dispositivo è possibile, infatti, immagazzinare
l’energia cinetica posseduta dal mezzo sottoforma di in energia meccanica
o elettrica. A seconda del tipo di tecnologia adottata, infatti, una frenata o
un tratto di discesa può sortire due effetti: l’accelerazione di una massa
rotante o la produzione di elettroni. Il primo effetto è evidentemente
correlato all’utilizzo di una batteria a volano, mentre il secondo è legato
agli accumulatori elettrochimici e/o agli ultracapacitors.
72
CAPITOLO 4. Sistemi di propulsione e di accumulo su alcune vetture
elettriche in commercio: stato dell’arte
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vetture elettriche in commercio: stato dell’arte
Il grosso fervore che negli ultimi anni sta investendo il settore della
propulsione elettrica, congiunto al momento di crisi del mercato globale,
hanno stimolato la nascita di nuove aziende, o rami d’azienda, dediti al
settore dell’autotrazione pulita. Tra le realtà formatesi si possono
distinguere 3 diverse tipologie di servizi offerti:
• Realtà aziendali che forniscono l’elettronica di base: batterie, motori,
convertitori statici (inverter), schede di controllo ecc… Solitamente
sono semplici produttori e/o distributori di componenti elettronici
che, vista la grande richiesta da parte del mercato, inseriscono nel
loro catalogo una gamma di prodotti dedicata alla propulsione
elettrica. Quasi sempre l’interfaccia tra i componenti è a carico del
cliente che deve quindi possedere le competenze del caso.
• Realtà imprenditoriali che si occupano della progettazione e della
realizzazione di sistemi elettronici per la conversione del sistema di
trazione sulle automobili. Solitamente queste realtà si appoggiano ad
aziende come quelle nominate poc’anzi per ciò che riguarda
l’approvvigionamento dei componenti. Ciò che offrono al cliente è
una vettura del tutto identica (esteticamente parlando) ad una già
presente sul mercato ma alimentata da batterie e spinta da motori
elettrici; mettono cioè a disposizione il loro know how tecnico per la
realizzazione di un sistema meccatronico complesso. Solitamente si
tratta di piccole aziende che per ragioni di limitato budget,
competenze o semplicemente per loro scelta non propongono auto di
produzione e design totalmente propri.
• Vere e proprie case automobilistiche, di dimensioni medio-piccole,
che si occupano della progettazione e della realizzazione del veicolo.
A seconda delle dimensioni aziendali possono essere utilizzati
componenti già presenti sul mercato oppure, attraverso delle
73
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partnership con altre realtà del settore, intraprenderne la
realizzazione da zero, ottimizzando in questo modo le loro
caratteristiche. Ovviamente quest’ultima strada è la più ambiziosa ed
è portata avanti principalmente da grossi marchi aziendali. I prodotti
che ne risultano hanno quasi sempre un forte contenuto innovativo
oltre che sotto l’aspetto della propulsione anche da quello
dell’estetica e del design. Si possono citare gli esempi della Tesla
Roadster e della Tesla S, della Venturi Fetish e della Venturi Volage
prodotte dagli omonimi marchi Tesla Motors e Venturi; altri esempi
sono la Phylla di casa Fiat e la Blue car di Pinifarina.
Le soluzioni progettuali dei veicoli elettrici che sono attualmente presenti
sul mercato si possono vedere elencati nella tabella a pagina seguente
(Tabella 4.1):
74
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Tipologia
Motore
Elettrico
Potenza/rpm
[kW]/[rpm]
Coppia/rpm
[Nm]/[rpm]
Tipologia
batterie
Energia
Batterie
[kWh]
Autonomia
Dichiarata
[km]
Tesla
Roadster
[5]
IM
air-cooled
with variable
frequency
drive
- Base
185 @
5000÷8000
- Sport
215 @
4400÷5800
- Base
375 @
0÷4500
- Sport
400 @
0÷5100
Li-ion with
6831
individual
cells
---
~ 393
Tesla
S
[6]
9 inch liquid
cooled
electric
motor
Venturi
Fetish
[7]
IM central
rear mounted
air cooled
Venturi
Volage
[8]
4 wheel
motors liquid
cooled
- Each one
55
- Total
220
- Each one
58
- Totally
232
Panda
Elettrica
ATEA
[9]
200/125 W
elettrico
asincrono
trifase
- Nominale
15
- Massima
30
-Nominale
50
-Massima
124
Twingo
Elettrica
ATEA
[10]
200/125 W
elettrico
asincrono
trifase
- Nominale
15
- Massima
30
-Nominale
50
-Massima
124
Mega
e-city
[11]
48 [V] CC
advanced
technology
Fiat
Phylla
[12]
---
---
180
- Nominale
4
- Massima
11
- Nominale
27
- Massima
54
---
220
---
---
---
-standard
42
-optional
>70
> 480
~ 28
~ 250
31 module
Li-ion
LIV-7
batteries
Li-poly
liquid
cooled
Zebra
Z57-253ML3P-76
- tensione
253 [V]
Zebra
Z55T-263ML3P-76
- tensione
263 [V]
Exide
champion
AGM
(piombo)
Li-ion
Li-poly
45
320 @
90 [km/h]
stabilized
19,2
-Extraurb.
~ 130
-Autostr.
~ 120
19,2
-Extraurb.
~ 135
-Autostr.
~ 125
---
~ 60
~ 15÷18
- Li-ion
145
- Li-poly
220
Coppia max
328
Pacco da 30
batterie
al Litio
96 [V]
200 [Ah]
~ 19,2
~ 100
- Nom 6
- Max 17,5
---
---
---
~ 70
- Max 4
---
Pb-gel
8x12 [V]
---
~ 45÷60
---
Li-ion
10 packs
---
> 192
Faam
Ecomile
[13]
A corrente
alternata
- tensione
96 [V]
- Nominale
18
- Massima
31
Alkè
ATX100E
[14]
48 [V] CC
eccitazione
separata
Estrima
Birò
[15]
2 motori
brushless
- tensione
48 [V]
Mini [16]
Cooper
Elettrica
GGT design
Motore
brushless AC
trifase
50
Tabella 4.1 – Specifiche tecniche di alcune auto elettriche.
75
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Guardando la tabella ci si accorge subito che mancano molti dati: la
documentazione reperibile sul web purtroppo non sempre è completa e a
volte risulta distorta da quella che è la realtà dei fatti. Tuttavia si vuole
sottolineare che i valori riportati derivano da dichiarazioni effettuate da
ciascun produttore e sono consultabili sulle pagine web attraverso i link
riportatati nella sezione dedicata alla bibliografia.
Detto questo, si può fare una prima riflessione sulla tipologia di motori
usati: c’è un largo impiego degli IM a scapito dei DCM e dei PMSM. Una
spiegazione a questo dato può essere subito fornita dai valori di potenza
installati su ogni singola vettura: la Roadster e la Fetish ad esempio
riportano un valore di targa intorno ai 180 [kW], valore questo prossimo a
quello di una vettura sportiva dalle altissime prestazioni. A tal proposito,
infatti, si sottolinea che, per come è conformato un motore elettrico, è in
grado di rendere disponibili valori altissimi di coppia già a bassi giri.
Questo implica che, in fase di accelerazione, un’auto elettrica può sfruttare
quasi il picco di coppia disponibile e risultare a volte più prestante di una
vettura alimentata da un motore a combustione interna di potenza molto
superiore. In rete si possono trovare molti filmati che testimoniano questo
fatto (ad esempio digitando http://www.youtube.com/watch?v=BqqtJpfZElQ).
Tornando al tipo di motori impiegato, la spiegazione da dare è che per alte
potenze in gioco l’IM, pur avendo una minor efficienza, costa molto meno
degli altri due e talvolta risulta anche meno ingombrante. Le due vetture
citate poc’anzi sono state progettate e concepite con lo scopo di avere
ottime prestazioni di accelerazione e velocità, senza tanto badare
all’autonomia delle batterie. Anche la Panda, la Twingo e la Mini montano
motori asincroni di tipo IM; in questi casi le potenze in gioco non sono
molto elevate, tuttavia le motivazioni di tale scelta potrebbero essere di
natura economica o semplicemente strutturale: si sottolinea, infatti, che tutti
e tre i modelli derivano dalla modifica di auto di serie, sulle quali gli spazi
non sono certo ottimizzati in vista di questo tipo di applicazioni.
Focalizzandosi sulle altre vetture riportate si nota che un paio di loro monta
motori di tipo DCM ed in una sola, l’Estrima, è installato presumibilmente
un PMSM (che comunque potrebbe anche essere un DCM con magneti
permanenti al posto degli avvolgimenti statorici).
Questa categoria di auto è definita “city car”: durante il progetto, alle
caratteristiche di accelerazione e velocità, viene preferita l’estensione
dell’autonomia e il comfort dei passeggeri.
76
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Come già detto precedentemente i DCM e i PMSM hanno efficienze
superiori a quelle degli IM ma risultano più costosi ed ingombranti a parità
di potenza. In questo caso le soluzioni adottate sono giustificate dalle basse
potenze necessarie e dalla volontà di ottimizzare il rendimento in modo da
aumentare la percorrenza disponibile con ogni singola carica.
Molto probabilmente anche la Phylla monta un motore di questo tipo,
attento a consumare poco e a contribuire alla rigenerazione delle batterie
quando non è utilizzato (in caso di frenata, decelerazione o discesa).
Per ciò che riguarda la motorizzazione dei veicoli elettrici menzionati,
infine, risulta molto interessante la soluzione progettuale adottata sulla
Venturi Volage nella quale sono montati 4 PMSM. Disposti ognuno su
ogni ruota conferiscono estrema solidità all’impianto di propulsione (la
rottura di uno di essi non presuppone il rischio di restare a piedi),
permettono la modulazione della potenza (potrebbe venire alimentato solo
un asse) e consentono di ottimizzare la catena cinematica di trasmissione
instaurando un contatto diretto con l’albero della ruota (configurazione di
tipo Direct Drive): questa soluzione sembra di gran lunga la più efficiente
tra quelle viste.
Per quanto riguarda la natura e la dimensione degli accumulatori impiegati,
il discorso appare molto più semplice: quasi tutti i veicoli utilizzano
batterie al litio (in configurazione Li-ion o Li-poly) e laddove non è così, la
scelta appare legata solamente a motivi di carattere economico. D’altronde
come è stato ampiamente ripetuto a tempo debito, l’accumulatore al litio è
ad oggi quello più promettente per il futuro dei veicoli elettrici. Un paio di
vetture (la Panda e la Twingo) sono dotate di batterie zebra mentre altre
due sfruttano la tecnologia del Piombo-acido.
Per chiudere il quadro di valutazione, è doveroso spendere qualche parola
nei confronti dei valori di autonomia dichiarati. Alcune tra le auto riportate
non sono ancora entrate in commercio, perciò, non disponendo di una
controprova obiettiva a riguardo, non è dato sapere se i chilometri di
autonomia dichiarati siano effettivi oppure no. Tuttavia da considerazioni
di massima si può azzardare l’ipotesi che la Tesla e la Venturi abbiano un
po’ sovrastimato le percorrenze delle proprie automobili, soprattutto in
relazione alle altissime prestazioni promesse. Per quanto riguarda le altre
vetture, mancando molti dettagli relativi ai valori energetici delle batterie,
si possono invece ritenere verosimili i valori di percorrenza riportati.
77
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CAPITOLO 5.Progetto del sistema di propulsione e di accumulo
La prima fase affrontata in sede di progetto è stata la determinazione delle
specifiche fisico/tecniche di AmbienTAXI: parametri come la velocità
massima raggiungibile, l’autonomia minima, il peso del telaio e degli
interni, il numero dei passeggeri ecc sono, infatti, stati fissati a priori.
Una volta fatto ciò è stato possibile cominciare col progetto vero e proprio
partendo dallo studio della dinamica longitudinale del veicolo e
continuando con il progetto del pacco batterie e con la determinazione dei
requisiti meccanici dell’impianto di propulsione.
Infine, variando la tipologia di celle elettrochimiche, si sono analizzate due
soluzioni alternative all’impianto di accumulo progettato in prima battuta.
5.1
Determinazione delle specifiche di progetto
La determinazione delle specifiche progettuali è una delle fasi più delicate
di un qualsiasi progetto: dalle supposizioni che si fanno in tale frangente,
infatti, dipende la bontà o meno di tutti i risultati delle simulazioni
successive. Nella tabella che segue (Tabella 5.1) sono elencati i parametri
meccanici scelti per lo studio in questione:
SPECIFICA DI PROGETTO
Massa di telaio ed interni
Numero persone a bordo
Massa di ogni persona
Velocità massima raggiungibile
Autonomia minima
Pendenza massima superabile
Tipologia di trasmissione
Rapporto di trasmissione motore/ruota
Rendimento della trasmissione
Rendimento del motore
Grandezza del pneumatico
UNITÀ DI MISURA
[kg]
[n°]
[kg]
[km/h]
[km]
[deg]
Direct Drive
%
%
225/35 R19
VALORE
850
6
90
80
200
6
1:1
100
85
Tabella 5.1 – Specifiche meccaniche di progetto.
79
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Premesso che il progetto strutturale di AmbienTAXI non è ancora stato
eseguito, la stima del peso del telaio e degli interni è risultata assai difficile.
Non possedendo una vera e propria distinta base dei componenti necessari
alla loro costruzione, infatti, non si è potuto far altro che instaurare un
ragionamento di tipo comparativo: si è preso in considerazione il peso
medio delle vetture presenti sul mercato, lo si è decurtato di tutti quei
componenti di cui AmbienTAXI è sprovvisto (motore endotermico,
serbatoio carburante ed ausiliari come marmitta, radiatori ecc) e gli si è
aggiunto il solo peso dei motori elettrici. In questo modo, per ricavare la
massa totale, si sono semplicemente sommati alla massa appena calcolata
quella del pacco batterie e quella delle persone a bordo. La prima è stata
calcolata da un programma di calcolo costruito ad hoc, mentre la seconda la
si è stata ottenuta semplicemente moltiplicando il numero delle persone a
bordo per il peso di ognuna. A tal proposito si è fissato un peso medio di 90
[kg] frutto della somma tra il peso corporeo più un eventuale bagaglio.
Essendo stato pensato per circolare nel traffico cittadino e solo
occasionalmente in zone di periferia, la velocità massima del veicolo è stata
limitata ad 80 [km/h]: tale valore (che potrebbe sembrare piccolo rispetto a
quello offerto dalla maggior parte delle vetture in commercio) rientra
abbondantemente nei canoni richiesti dai tassisti di città e consente allo
stesso tempo di non sovradimensionare inutilmente l’impianto di
propulsione. Tra le esigenze dei tassisti rientra anche un parametro molto
importante: l’autonomia di marcia. A detta loro un’autonomia di 200 [km]
è di certo un valore sufficiente a concludere la giornata lavorativa
permettendo in questo modo il reintegro della carica degli accumulatori
durante le ore notturne. Per quel che riguarda i fattori esterni, infine, si è
ipotizzata un’inclinazione massima della strada di 6 [deg] pari ad un valore
di pendenza del 10,5% circa.
Le ultime specifiche riguardano il sistema di propulsione; in fase di
concepimento l’EngineeGREEN team aveva le idee chiare: AmbienTAXI
doveva rappresentare oltre che un mezzo pratico e funzionale, anche
un’innovazione dal punto di vista tecnologico e del design. Quello a cui si è
puntato è stata innanzitutto la ricerca di un layout strutturale in grado di
appagare allo stesso tempo conducente, passeggeri e perché no, anche i
passanti che lo avrebbero visto sfrecciare nel traffico. Una sorta di oggetto
di culto, del quale ogni cittadino dovesse andare fiero.
Premesso questo, si è ritenuto subito essenziale eliminare la protuberanza
anteriore della vettura: da che mondo è mondo, infatti, quella è sempre
80
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stata (o quasi) la sede del motore, ed il cofano il pertugio attraverso il quale
poterlo riparare. La sua assenza avrebbe certo colpito nel segno e alla
domanda « Il motore dov’è? » la risposta sarebbe stata « Senti qualche
rumore? Vedi del fumo puzzolente uscire da qualche tubo? AmbienTAXI ha
un motore elettrico!! ».
Ingegneristicamente parlando però, tale soluzione è risultata fin da subito
difficile da gestire. L’assenza di spazio sufficiente ad alloggiare il motore,
la trasmissione e gli ausiliari necessari, ha fatto pensare, dopo svariate ore
di ricerche, a soluzioni innovative e come tali, non ancora ben collaudate:
gli “in-wheel motors” o “hub motors”. Di loro si è accennato qualcosa in
uno dei capitoli precedenti, dicendo che sono configurati in modalità Direct
Drive, che si sviluppano in direzione radiale piuttosto che longitudinale e
che normalmente sono dei PMSM di tipo SPM controllati da azionamenti
brush-less DC. Una connessione di tipo Direct Drive prevede un
collegamento diretto tra motore e carico: ecco spiegati, dunque, i valori di
1:1 per il rapporto di trasmissione e di 100% per il rendimento.
È stato previsto, dunque, l’impiego di 2 in-wheel motors montati sull’asse
anteriore dell’auto imputando loro un rendimento globale di 0,85.
Per quanto riguarda la scelta del pneumatico, infine, non si è fatto altro che
considerare la misura utilizzata su un’applicazione simile a quella in
questione; questo dato è molto importante in quanto da esso dipende il
fattore di conversione tra la velocità del motore e quella di AmbienTAXI.
Le cifre riportate (225/35 R19) rappresentano rispettivamente la larghezza
del battistrada espressa in [mm], l'altezza della "spalla" (fianco del
pneumatico dal bordo del cerchio al punto in cui la gomma tocca terra)
espressa in percentuale della larghezza battistrada e il diametro del cerchio
in pollici (1 [inch] = 0,0254 [m]). Per cui il diametro del pneumatico è
= 2 ∙ 35% ∙ 0,225 + 19 ∙ 0,0254 = 0,6401 [] .
Il fattore di conversione tra la velocità del veicolo e la velocità del motore
(non essendoci trasmissioni meccaniche) è
= ∙
1000 1
∙
60 dove
- ω è la velocità del motore espressa in [rpm];
- è la velocità del veicolo espressa in [km/h];
- è il diametro del pneumatico calcolato sopra espresso in [m].
81
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Le specifiche riguardanti l’elettronica sono invece legate all’azionamento
dei motori e al tipo di celle scelte per la realizzazione del sistema di
accumulo.
UNITÀ DI MISURA
VALORE
[V]
192
%
97,5
UNITÀ DI MISURA
VALORE
[Wh/kg]
[V]
[kg]
[mm]
[mm]
175
3,7
0,149
37,4
59,5
[A]
14
Tensione del bus in continua
dell’azionamento
Rendimento del convertitore
Tabella 5.2 – Specifiche tecniche dell’azionamento.
Energia specifica delle celle
Tensione nominale della singola cella
Massa della singola cella
Diametro della singola cella
Altezza della singola cella
Corrente massima continua di scarica
della singola cella
Tabella 5.3 – Specifiche tecniche delle celle SAFT Li-ion VL 37570.
La tensione del bus in continua e il rendimento del convertitore si sono
assunti tali da stime effettuate prendendo in considerazione lo stato
dell’arte per quel che riguarda i veicoli elettrici. Per quanto concerne le
batterie, invece, si è ritenuto opportuno sfogliare i datasheet dei produttori
trovati in rete e procedere in modo iterativo confrontando al termine delle
simulazioni il prodotto migliore. Il tipo di celle preso in esame è quello al
Li-ion della ditta SAFT modello VL 37570 la cui scheda tecnica è riportata
in appendice I.
82
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
5.2
Studio della dinamica longitudinale e dimensionamento del
sistema di accumulo di AmbienTAXI
Il dimensionamento del sistema di accumulo è strettamente legato alla
dinamica del veicolo: è proprio in base alle potenze in gioco, infatti, che
diventa possibile calcolare il numero di celle elettrochimiche necessarie a
garantire una determinata autonomia di percorrenza. In questo paragrafo
verranno riportate la teoria di base e i risultati delle simulazioni effettuate
con Matlab, un ambiente per il calcolo numerico e l'analisi statistica.
5.2.1 Dinamica longitudinale del veicolo
L’analisi della dinamica longitudinale di AmbienTAXI inizia considerando
il veicolo in moto a velocità costante su una strada piana e rettilinea.
Le forze che devono essere vinte per mantenere costante la velocità sono la
resistenza aerodinamica e quella al rotolamento. Al crescere della velocità
l’importanza della prima aumenta rispetto alla seconda e ad un certo punto
diviene persino più importante.
Se la strada è in pendenza, alla resistenza al rotolamento ed a quella
aerodinamica deve essere aggiunta la componente del peso in direzione
parallela alla velocità . Essa, come si vedrà nei grafici delle simulazioni,
diviene rapidamente molto più importante delle altre resistenze anche per
valori moderati della pendenza stradale.
Tenendo anche in considerazione la portanza aerodinamica, la resistenza
totale al moto può essere scritta nella forma
= + + ,
dove
1
= !"#$% − ' ( ) *+ , #-. + / ( %
2
è la resistenza al rotolamento,
0
= ' ( ) *1
(
è la resistenza aerodinamica ed
= "23#$%
è la resistenza offerta dalla pendenza stradale.
83
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
L’espressione finale diventa dunque
1
1
= !"#$% − ' ( ) *+ , #-. + / ( % + ' ( ) *1 + "23#$%
2
2
Per le leggi della fisica, affinché il veicolo proceda ad una velocità stabilita, deve sussistere una forza di avanzamento (45 ) che contrasti la
resistenza totale # %, cioè che sia di verso opposto e di modulo almeno
pari. In simboli dunque si deve avere che
45 ≥ .
Figura 5.1 – Modello raffigurante le forze in gioco.
In Figura 5.1 è possibile vedere una rappresentazione di quello che è il
modello di studio. Si nota che la pendenza della strada (cioè il valore
solitamente fornito dalle mappe o presente sulla segnaletica stradale)
corrisponde al cateto minore del triangolo rettangolo, da ciò ne deriva che
;<=;<+
$ = 78390 :
0..
> .
La potenza necessaria al moto ?< a velocità costante può essere ottenuta
semplicemente moltiplicando il valore di resistenza totale per la stessa ?< = ∙ ,
ovvero si ha che
84
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
1
? = ∙ = !"#$% − ' ( ) *+ , #-. + / ( % ∙ 2
è la potenza necessaria a vincere la resistenza al rotolamento,
0
? = ∙ = ' @ ) *1
(
è la potenza necessaria a vincere la resistenza aerodinamica e
? = ∙ = "23#$% ∙ è la potenza necessaria a vincere la resistenza relativa alla pendenza.
Il moto alla velocità massima è quindi possibile solamente se la potenza
disponibile (?=AB ) è maggiore o uguale alla potenza necessaria effettiva
(?<_;DD ) ottenuta dal rapporto tra ?< e i rendimenti di trasmissione, motore
e convertitore.
?=AB ≥ ?<_;DD =
EF
GHI ∙GJKH ∙GLKFM
=
EI NEO NEP
GHI ∙GJKH ∙GLKFM
Figura 5.2 – Schema delle potenze in gioco e dei parametri che le influenzano.
Nella tabella seguente (Tabella 5.4) sono stati riportati tutti i valori dei
coefficienti utilizzati nelle simulazioni; alcuni di questi sono pressoché
scontati, come l’accelerazione di gravità, la densità dell’aria ecc, mentre
altri necessitano di un breve commento:
• La velocità del veicolo è la variabile indipendente delle equazioni
perciò è fatta variare all’interno dell’intervallo di interesse (tra 0 e 25
[m/s] anche se la velocità massima è 22,22 [m/s]);
85
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• La sezione frontale del veicolo ) è data dal prodotto della larghezza
dell’auto (circa 2 [m]) per la sua altezza (circa 1.9 [m]);
• I coefficienti /, -. , *+ e *1 sono stati estrapolati dall’appendice A del
libro [17].
Simbolo
'
)
/
-.
*+
*1
Descrizione
Accelerazione di gravità
Densità dell’aria
Velocità del veicolo
Sezione frontale del veicolo
Coefficiente della resistenza di rotolamento
Coefficiente di rotolamento a velocità nulla
Coefficiente di penetrazione aerodinamica
Coefficiente di penetrazione aerodinamica
Valore
9.81 [m/s2]
1.2258 [kg/m3]
0÷25 [m/s]
3.8 [m2]
6.5·10-6 [s2/m2]
0.013
-0.21
0.32
Tabella 5.4 – Alcuni parametri usati nelle simulazioni.
86
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5.2.2 Teoria di dimensionamento del sistema di accumulo
In questo frangente si suppone che il sistema di accumulo dell’energia di
AmbienTAXI sia costituito esclusivamente da celle elettrochimiche.
Fatta questa premessa, è logico pensare che tutta l’energia richiesta per
muovere il veicolo debba essere fornita da un pacco di batterie progettato
ad hoc; nella fattispecie si ha che
?QQ = ?<_;DD_1 =
?<_1
R ∙ R ∙ RQ<5
dove
- ?QQ è la potenza di dimensionamento del pacco batterie [W];
- ?<_;DD_1 è la potenza necessaria effettiva alla velocità massima [W];
- ?<_1 è la potenza necessaria alla ruota alla velocità massima [W].
Dalla nota relazione che lega potenza, tensione e corrente (P = V ∙ I% è
possibile ricavare il valore di corrente che il pacco deve essere in grado di
erogare attraverso la relazione
VQQ =
?QQ
WXYB_QQ
dove
- VQQ è la corrente che deve erogare complessivamente il pacco [A];
- WXYB_QQ è la tensione del bus in continua dell’azionamento [V].
Una volta fatto ciò è possibile avere una stima della massa totale del pacco
e del numero di celle minimo applicando le seguenti relazioni:
A<_QQ =
ZA< ∙ ?QQ
1 ∙ [B;Q
3A< _Q;\\; = ]2^ _
A<_QQ
`
Q;\\
dove
- A<_QQ è la massa minima del pacco batterie [kg];
- ZA< è l’autonomia minima richiesta al veicolo [km];
- vbcd è la velocità massima [km/h];
- Efghi è l’energia specifica delle celle [Wh/kg];
87
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- 3A< _Q;\\; è il numero minimo di celle costituenti il pacco;
- Q;\\ è la massa di ogni singola cella [kg].
- “ceil” è una particolare funzione di Matlab che, anteposta ad un qualsiasi
valore x, riporta il numero intero successivo a tale valore; ad esempio ceil
(2,13) = 3.
I calcoli riguardanti il dimensionamento effettivo del pacco sono riportati
di seguito. Essi prevedono il computo delle celle in serie e il computo delle
celle in parallelo fatto in base a due criteri; una volta scelto il valore
massimo tra i due, vengono quantificate le celle necessarie a costituire il
pacco e la massa totale di quest’ultimo.
3Q;\\;_B;A; = ]2^ _
WXYB_QQ
`
WQ;\\
3A< _Q;\\;
3Q;\\;_\\;\_0 = ]2^ j
k
3Q;\\;_B;A;
VQQ
3Q;\\;_\\;\_( = ]2^ j
k
V1 _Q;\\
3Q;\\;_\\;\ = 8lm3Q;\\;_\\;\_0 , 3Q;\\;_\\;\_( n
3;DD_Q;\\; = 3Q;\\;_B;A; ∙ 3Q;\\;_\\;\
;DD_QQ = 3;DD_Q;\\; ∙ Q;\\
dove
- 3Q;\\;_B;A; è il numero delle celle in serie del pacco;
- WQ;\\ è la tensione nominale della singola cella [V];
- 3Q;\\;_\\;\_0 è il numero delle celle in parallelo di primo tentativo;
- 3Q;\\;_\\;\_( è il numero delle celle in parallelo di secondo tentativo;
- V1 _Q;\\ è la corrente massima erogabile da una singola cella [A];
- 3Q;\\;_\\;\ è il numero delle celle in parallelo del pacco;
- 3;DD_Q;\\; è il numero effettivo totale di celle costituenti il pacco;
- ;DD_QQ è la massa effettiva del pacco batterie, cioè quel valore da
sommare alla massa di telaio ed interni per il calcolo della massa totale di
AmbienTAXI.
88
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5.2.3 Progetto e simulazione
La prima simulazione è stata effettuata fornendo al calcolatore tutti i dati
sin qui riportati (Tabelle 5.1, 5.2, 5.3 e 5.4). Per la sua realizzazione si sono
utilizzati dei programmi di calcolo realizzati ad hoc per lo studio in essere i
cui nomi verranno di volta in volta citati per un’eventuale consultazione in
appendice.
5.2.3.1
Dimensionamento del pacco batterie – Soluzione 1: celle
SAFT Li-ion VL 37570
Il programma di calcolo dal nome din_long.m (appendice A) fornisce i
seguenti risultati:
Risultati riguardanti i propulsori
• Velocità massima = 663,04 [rpm];
• Velocità base = 216,32 [rpm];
• Potenza massima all'albero = 14,01 [kW];
• Coppia massima all'albero = 618,43 [Nm];
Risultati riguardanti gli accumulatori
• Energia minima da contenere negli accumulatori = 42.26 [kWh];
• Numero minimo celle = 1.621;
• Numero minimo celle in serie = 52;
• Numero minimo celle in parallelo = 32;
• Numero effettivo celle = 1.664;
• Massa effettiva degli accumulatori = 247,94 [kg];
• Volume degli accumulatori = 0,21 [m3];
• Tensione effettiva degli accumulatori = 192,40 [V];
• Energia effettivamente contenuta negli accumulatori = 43.39 [kWh];
Risultati riguardanti AmbienTAXI
• Massa del veicolo = 1.098 [kg];
• Massa del veicolo con passeggeri = 1.638 [kg];
• Autonomia teorica a 80 [km/h] = 205 [km];
• Autonomia teorica a 40 [km/h] = 412 [km].
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Questo programma, attraverso un procedimento di tipo iterativo, permette
di ricavare, tra le altre cose, le caratteristiche principali del sistema di
accumulo rendendo possibile il calcolo della massa totale di AmbienTAXI,
valore di essenziale importanza perché richiesto come input da tutti i
programmi successivi.
din_long.m studia la dinamica longitudinale di AmbienTAXI al variare
della massa degli accumulatori. Il ciclo iterativo segue i seguenti step:
1 - Calcolo della potenza alla ruota necessaria a mantenere il veicolo alla
velocità massima in condizioni di pendenza nulla e massa pari alla somma
dei pesi di telaio e passeggeri attraverso la sottofunzione pot_vel_avanz.m
(appendice B);
2 - Confronto tra la potenza ottenuta all’iterazione (i-1) con quella ottenuta
all’iterazione (i);
3 - Calcolo della potenza erogata dalle batterie dividendo la potenza
calcolata durante l’ultima iterazione per i rendimenti della trasmissione, del
motore e del convertitore;
4 - Calcolo della corrente richiesta dai motori dividendo la potenza erogata
dalle batterie per la tensione del bus in continua;
5 - Calcolo della massa minima delle batterie moltiplicando la potenza
erogata dalle stesse per l’autonomia minima richiesta e dividendo il tutto
per il prodotto tra velocità massima ed energia specifica delle celle;
6 - Calcolo del numero minimo di celle dividendo il valore appena trovato
per la massa di una singola cella.
7 - Calcolo del numero minimo di celle in serie ed in parallelo partendo
rispettivamente dai requisiti di tensione e corrente;
8 - Calcolo del numero effettivo di celle necessarie a formare il sistema di
accumulo e la conseguente massa totale;
9 - Calcolo della massa totale del veicolo a pieno carico sommando al
valore appena trovato quelli relativi al telaio e ai passeggeri;
10 - Calcolo della potenza alla ruota necessaria a mantenere il veicolo alla
velocità massima in condizioni di pendenza nulla e massa pari al valore
appena calcolato;
90
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11 - Iterazione del loop di calcolo dal punto 2 fino al raggiungimento di
una differenza piccolissima tra la potenza ottenuta all’iterazione (i-1) e
quella ottenuta all’iterazione (i).
Una volta terminato il ciclo, viene calcolata la potenza massima all’albero
motore come la media degli ultimi due valori di potenza iterati. Di seguito
si procede al computo della massa effettiva degli accumulatori e infine a
quella del veicolo.
pot_vel_avaz.m, infine, calcola la velocità base del motore ovvero il
numero di giri in prossimità del quale la potenza massima erogata incontra
l’andamento della potenza totale richiesta dal carico in condizioni di
massima pendenza.
5.2.3.2
Calcolo delle forze e delle potenze in gioco
Facendo funzionare il programma graph_res_power.m (appendice C) si
possono vedere gli andamenti delle forze resistenti e delle potenze in gioco
per valori di pendenza nulla e massima (6 [deg]) rispettivamente.
Figura 5.3 – Resistenza al moto nel caso di strada piana a pendenza nulla.
91
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Figura 5.4 – Resistenza al moto nel caso di strada piana inclinata di 6 [deg].
Le due figure precedenti mettono in luce due aspetti molto importanti già
menzionati in precedenza: il primo è la sostanziale incisività della
componente gravitazionale, che nella seconda simulazione produce da sola
una resistenza costante di circa 1,7 [kN]; il secondo aspetto importante è il
tipico incrocio tra le curve relative al rotolamento e all’aerodinamica
(rispettivamente di colore azzurro e verde): inizialmente si vede come la
prima prevalga sull’altra, poi, raggiunta una certa soglia che prende il nome
di velocità caratteristica (che nel caso in esame si aggira intorno ai 18
[m/s]) la resistenza aerodinamica supera quella relativa al rotolamento
aumentando rapidamente il suo valore. Questo fatto è presto spiegato se si
osservano accuratamente i termini delle equazioni relative alle due
resistenze; l’andamento nettamente esponenziale della deriva dalla
dipendenza di quest’ultima dal quadrato della velocità. Dal canto suo
invece la , seppur contenendo sia termini quadratici che quartici della
velocità, denota un andamento pressoché costante causato dalla netta
prevalenza del termine lineare.
I grafici seguenti sono il frutto della stessa simulazione, ovviamente
stavolta riferiti ai valori di potenza piuttosto che di forza resistente.
92
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Figura 5.5 – Potenza necessaria al moto nel caso di strada piana a pendenza nulla.
Figura 5.6 – Potenza necessaria al moto nel caso di strada piana inclinata di 6 [deg].
93
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Il grafico in Figura 5.6 è indubbiamente il più importante dei quattro. Se,
infatti, i primi due fanno riferimento ad una grandezza poco pratica in fase
di dimensionamento (la forza), ed il terzo risulta utile solamente per
quantificare il limite della maschera di potenza, l’ultimo è proprio quello
più interessante in termini progettuali riportando gli andamenti delle
potenze nelle condizioni più critiche (con veicolo a pieno carico e pendenza
stradale massima). I dati di forza e potenza sono relativi alla ruota ma
possono essere riferiti anche al motore avendo adottato una trasmissione di
tipo Direct Drive. Proprio per tale motivo, in quest’ultimo grafico, è stata
riportata anche la maschera di dimensionamento della potenza all’asse
motore (tratto di colore nero). Il suo andamento segue quello della potenza
totale richiesta dal carico (tratto di colore blu) fino al raggiungimento della
velocità base (7,250 [m/s]) dove prosegue costantemente sul valore di
14,01 [kW] (ottenuto dal grafico in Figura 5.5) fino al regime di rotazione
massimo.
Dal programma power_hub_mot_inv.m (appendice D) si ottengono i
grafici in Figura 5.7 e in Figura 5.8 nei quali sono riportate le maschere di
dimensionamento della potenza relative ai morsetti dei motori e ai morsetti
del convertitore. I limiti di potenza sono rispettivamente pari a 16,48 e a
16,90 [kW].
Figura 5.7 – Maschera di dimensionamento della potenza ai morsetti dei motori.
94
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Figura 5.8 – Maschera di dimensionamento della potenza ai morsetti del convertitore.
95
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5.2.3.3
Calcolo della potenza trasmissibile al contatto ruota-suolo
Valutata la potenza necessaria a vincere le resistenze del moto risulta
essenziale verificare se sia possibile trasferirla a terra; questa, infatti, è una
delle condizioni fondamentali per la realizzazione pratica del veicolo.
La potenza necessaria al moto deve essere trasmessa attraverso il contatto
ruota-suolo. Dato che la stessa aumenta all’aumentare della velocità e della
pendenza della strada, vi è un limite alla massima velocità raggiungibile ed
alla massima pendenza superabile dovuto alla massima trazione che il
veicolo riesce a trasmettere al suolo, anche se idealmente non vi fosse
limite alla potenza motrice disponibile. Questi calcoli potrebbero sembrare
superflui visto che le caratteristiche di AmbienTAXI non si discostano
molto da quelle di una qualsiasi vettura in commercio, tuttavia si vogliono
riportare per ragioni di completezza.
Il valore della massima potenza trasmissibile al suolo è
?1 = o 4+A ∙ pA ,
∀A
dove
- 4+A è il carico agente sulla ruota motrice i-esima;
- pA è il coefficiente di aderenza longitudinale della ruota motrice i-esima;
- 2 è l’indice delle ruote motrici.
Se il massimo valore del coefficiente di aderenza longitudinale pA ed il
carico agente sulle ruote motrici fossero indipendenti dalla velocità, la
massima potenza trasmissibile sarebbe linearmente crescente con la
velocità . La situazione è però molto differente da quanto appena detto.
Considerando per semplicità un veicolo a due assi, tutti motori, e
assumendo che lo scorrimento di tutte le ruote sia lo stesso, cioè che i
valori di pA siano tutti uguali, si ottiene che la massima potenza
trasmissibile è
0
?1 = pA : !"#$% − ' ( ) *+ > .
(
Una semplice espressione della diminuzione dell’aderenza longitudinale
con la velocità è la legge lineare
96
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pA =
0
−
(
∙
dove 0 e ( sono due coefficienti empirici estrapolati dal capitolo 3 del
libro [17]; i valori attribuiti a ciascuno di essi cambiano a seconda che
l’asfalto sia asciutto oppure bagnato: valgono rispettivamente 1,1 e 0,006
[s/m] nel caso di strada asciutta, 0,8 e 0,008 nel caso di manto stradale
bagnato.
Il programma power_trasm.m (appendice E) riporta la potenza necessaria a
muovere il veicolo e calcola le potenze trasmissibili al terreno nei due casi
appena citati.
Figura 5.9 – Potenza richiesta dal carico e potenze trasmissibili al contatto ruota-suolo
riferiti ad una pendenza di 6 [deg].
Il grafico in Figura 5.9 è stato volutamente esteso fino ad un valore di
velocità di 120 [m/s] (corrispondente ad un valore di 432 [km/h]) in modo
che riesca a dare un monito globale della situazione. L’interpretazione da
dare ai punti in corrispondenza dei quali la curva rossa incrocia le curve blu
e verde è che, oltrepassato quel valore di velocità, la potenza che sarebbe
necassaria a mandare avanti AmbienTAXI non sarebbe trasmissibile a terra.
97
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riferiti ad una pendenza di 6 [deg]; zoom sull’intervallo di velocità d’interesse
evidenziato in Figura 5.9.
Il grafico in Figura 5.10 denota una sostanziale discrepanza tra le potenze
trasmissibili al contatto ruota-suolo e quella invece necessaria a mantenere
il veicolo in moto. Si vede come, anche nel caso di pendenza massima
considerato (α = 6 [deg] ≈ pendenza del 10,5%), le potenze trasmissibili a
terra siano molto superiori a quella necessaria a vincere le resistenze. Nella
fattispecie, in caso di asfalto asciutto alla velocità di 22,22 [m/s]
(corrispondente ad 80 [km/h]) potrebbe essere trasmessa al terreno una
potenza di oltre sei volte quella necessaria; nel caso di asfalto bagnato il
valore scende pur mantenendosi intorno al quadruplo di quest’ultima.
A valle di queste considerazioni è opportuno ragionare sulle premesse fatte
inizialmente, quando è stato introdotto il concetto di trasmissibilità della
potenza motrice al terreno. Si è detto di considerare che il veicolo in
questione abbia due assi entrambi motrici e che lo scorrimento di tutte le
ruote sia il medesimo; queste sono certamente delle semplificazioni e come
tali vanno prese con le dovute cautele. AmbienTAXI, infatti, essendo dotato
di trazione anteriore, non rispetta le condizioni al contorno; con certezza
dunque si può asserire che la potenza trasmissibile al terreno dev’essere
decurtata (intuitivamente dimezzata), e abbassata ulteriormente dal fatto
che lo scorrimento delle ruote non è il medesimo per tutte.
98
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In linea del tutto teorica si può ipotizzare di buon grado che tutte queste
approssimazioni rendano la potenza effettiva trasmissibile al terreno pari ad
un terzo di quella calcolata.
in condizioni reali riferiti ad una pendenza di 6 [deg].
La Figura 5.11 traduce graficamente quanto appena detto; nell’intervallo
d’interesse, le potenze che possono essere effettivamente trasmesse al
terreno (pari ad 1⁄3 di quelle calcolate in precedenza) superano
abbondantemente quella necessaria al moto. In aggiunta c’è da dire che,
come riportato in Figura 5.6, la potenza massima dei motori è sull’ordine
dei 15 [kW] fugando ogni dubbio sul fatto che sia possibile o meno
trasmettere tutta la potenza a terra.
99
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5.2.3.4 Calcolo della coppia richiesta
Il monito della coppia richiesta dal carico è forse l’informazione più
importante di cui un progettista dovrebbe disporre per il progetto di un
motore elettrico. Come è già stato accennato nel terzo capitolo, i motori
elettrici hanno una tipica curva caratteristica di coppia/velocità che li rende
particolarmente adatti ad essere impiegati nell’ambito dell’autotrazione. In
Figura 5.12 è possibile apprezzare un grafico d’esempio che riporta, oltre
alla coppia richiesta dal carico, l’andamento della coppia fornita dal motore
e la maschera di potenza dello stesso.
L’andamento della coppia motrice si compone usualmente di due tratti: il
primo orizzontale (a coppia costante) mentre il secondo parabolico (a
potenza costante). Il punto ideale di separazione tra i due è chiamato punto
base a cui corrisponde appunto la velocità base (X %.
Figura 5.12 – Grafico tipo di un motore elettrico e del suo carico.
Per tracciare l’andamento della coppia richiesta dal carico si è partiti
dall’equazione fondamentale che lega la potenza alla coppia
? =*∙
che, riferita all’applicazione trattata, diventa
100
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*=
?< ∙ =
dove
- * è la coppia richiesta dal carico [Nm];
- ?< è la potenza necessaria per vincere le forze resistenti [W];
- è la velocità di rotazione del motore (e della ruota) [rad/s];
- è la resistenza totale al moto [N];
- è la velocità del veicolo [m/s].
La velocità di rotazione dell’albero motore si può ricavare dalla semplice
espressione
= =
u ⁄2
dove
- u è il raggio del pneumatico [m];
- è il diametro del pneumatico [m].
L’espressione finale diventa dunque
*=
?< ∙ =
2
Il programma torque_hub.m (appendice F) calcola la coppia richiesta dal
carico e i parametri della maschera di dimensionamento di coppia/velocità
all’asse del motore. In Figura 5.13 è riportato il grafico risultante dalla
simulazione nel quale sono presenti gli andamenti delle coppie resistenti
(vedi legenda) e la caratteristica appena citata (tratto di colore nero).
101
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Figura 5.13 – Coppia richiesta dal carico e maschera di dimensionamento della coppia
motrice.
Dal grafico si evince che il sistema di propulsione deve essere progettato in
modo tale da riuscire ad erogare una coppia di 618,45 [Nm] dal regime di
rotazione nullo (a rotore bloccato) fino al raggiungimento della velocità
base (216 [rpm]) in corrispondenza della quale avviene l’erogazione della
massima potenza (14,01 [kW]) che perdura durante tutto il rimanente
intervallo di velocità.
È doveroso ricordare che l’approccio utilizzato in questa trattazione
prevede solamente la determinazione delle caratteristiche meccaniche
dell’impianto di propulsione delegando la sua progettazione a chi ne ha i
mezzi e le competenze per farlo.
102
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5.2.3.5 Stima della potenza e dell’energia recuperabile
In questo paragrafo verrà trattato un argomento che, nell’ambito della
propulsione elettrica, è a dir poco fondamentale: il recupero dell’energia.
Nella fattispecie sono stati presi in considerazione due possibili scenari, per
ognuno dei quali si sono stimate le quantità d’energia in grado essere
reintegrate negli accumulatori.
La prima situazione ricreata vede AmbienTAXI marciare su un tratto
stradale in discesa: l’analisi delle resistenze al moto sveleranno la
possibilità di recuperare parte dell’energia prodotta dalla componente
gravitazionale.
Il secondo scenario, invece, prevede una semplice andatura a velocità
costante su una strada piana e rettilinea seguita da una decelerazione fino
alla fermata: in questo caso sarà il semplice computo dell’energia cinetica a
svelare l’entità del recupero.
Nel panorama di studio che vede il veicolo percorrere un tratto stradale a
pendenza negativa si è fatto ricorso alle stesse relazioni della dinamica
longitudinale già riportate in precedenza, adattandole però alla situazione in
esame. Alle condizioni di moto è stata apportata solo una piccola (ma
fondamentale) variazione nel calcolo di che, in questo caso, diventa
forza motrice e non più resistente come in precedenza. Il bilancio delle
forze, dunque, non è più
= + + ma bensì
= + − .
Per mezzo del programma power_rec.m (appendice G) si ottengono le
Figure 5.14 e 5.15 nelle quali sono apprezzabili rispettivamente gli
andamenti delle potenze alla ruota e il grafico della potenza recuperabile
all’asse motore. I tratti sottili di colore azzurro nelle due figure indicano il
limite di velocità di AmbienTAXI in prossimità del quale, come si vede
graficamente, la potenza recuperabile risulta massima.
Il valore energetico è semplicemente ottenibile dal prodotto della potenza
per l’intervallo di tempo considerato. Se, ad esempio, si ipotizzasse di
procedere costantemente a 50 [km/h] per un tempo di 30 [s], il computo
sarebbe il seguente:
103
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[;Q = ?v._wx ∙ y7 =
18,15 ∙ 30
= 0,15125 [{|ℎ]
3.600
È opportuno precisare, però, che il valore calcolato, non tenendo conto del
rendimento del sistema di recupero, è del tutto ideale. Si può concludere,
dunque, che la quantità di energia che può essere realmente reintegrata nel
pacco batterie nel caso di marcia su strada in discesa è
[;Q_;DD = RBAB_;Q ∙ ?;Q ∙ y7 .
Figura 5.14 – Potenza recuperabile alla ruota per una pendenza di -6 [deg].
Figura 5.15 – Potenza recuperabile all’asse motore per una pendenza di -6 [deg].
104
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Per quanto riguarda l’altro scenario, quello relativo alla percorrenza di un
tratto stradale piano seguito da una decelerazione fino all’arresto del
veicolo, la stima può essere eseguita semplicemente valutando la quantità
di energia cinetica posseduta dal veicolo un istante prima di decelerare.
Ovviamente, come nel caso precedente, il valore ottenuto dalla formula
1
[ = (
2
non è esattamente quello realmente immagazzinabile nel pacco batterie. In
questo caso, oltre al rendimento del sistema di recupero, va tenuta in
considerazione l’energia dissipata dalle forze resistenti durante la fase di
decelerazione.
Se, inoltre, si ipotizzasse che la decelerazione fosse causata da una frenata,
alle perdite già menzionate andrebbero aggiunte quelle relative all’energia
dispersa in calore (generato dall’attrito dei freni).
In formule si avrebbe che
1
[;Q_;DD = ( ∙ RBAB_;Q − [D+;_;B − [Q\_D;<A
2
Quanto appena detto rivela che ottenere il computo esatto dell’energia
recuperabile, nella situazione considerata, è molto difficile; un suo studio
puntuale potrebbe, senza dubbio, costituire da solo argomento di tesi.
In questa sede si è ritenuto opportuno comunque introdurre l’argomento in
quanto, come già detto, di vitale importanza quando si parla di propulsione
elettrica.
105
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5.3
Dimensionamento di sistemi di accumulo alternativi
L’obiettivo che ci si propone di raggiungere in questo paragrafo è di
riuscire a trovare un paio di soluzioni alternative al sistema di accumulo
progettato poc’anzi; una volta fatto ciò sarà possibile confrontarle con esso
e determinare quale delle tre soluzioni sia la migliore.
Per il dimensionamento verranno utilizzate celle elettrochimiche prodotte
da aziende diverse da quella già proposta, ma pur sempre molto
competitive a livello mondiale.
Per questioni di semplicità quella già progettata è stata chiamata soluzione
1, mentre le successive prederanno il nome di soluzione 2 e soluzione 3.
5.3.1 Soluzione 2: celle KOKAM Li-poly SLPB 68106100
Questo tipo di celle sfrutta la tecnologia Li-poly ed è classificato dalla ditta
produttrice come modello ad alta energia specifica ed alta capacità.
Diversamente dalle celle utilizzate nelle altre soluzioni, queste, essendo di
forma prismatica, godono di un miglior packaging consentendo al pacco di
accumulatori di occupare un volume minore. Il datasheet del prodotto è
riportato in appendice L mentre i principali dati di targa sono elencati nella
tabella seguente:
Larghezza della singola cella
Spessore della singola cella
della singola cella
UNITÀ DI MISURA
VALORE
[Wh/kg]
[V]
[kg]
[mm]
[mm]
[mm]
196
3,7
0,150
100
106
6,8
[A]
8
Tabella 5.5 – Specifiche tecniche delle celle KOKAM Li-poly SLPB 68106100.
Facendo funzionare il programma di calcolo din_long.m (appendice A) si
ottengono i seguenti risultati:
106
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• Potenza massima all'albero = 13,90 [kW];
5.3.2 Soluzione 3: celle EEMB Battery [18] Li-ion LIR 18650
Questa tipologia di celle elementari riprende la tecnologia Li-ion utilizzata
negli accumulatori di soluzione 1. A differenza di quel tipo di celle però
queste hanno dimensioni diverse ma soprattutto erogano una corrente
massima inferiore. Il datasheet del prodotto è riportato in appendice M
mentre i principali dati di targa sono elencati nella tabella seguente:
Diametro della singola cella
della singola cella
UNITÀ DI MISURA
VALORE
[Wh/kg]
[V]
[kg]
[mm]
[mm]
173
3,7
0,047
18,2
64,5
[A]
4,4
Tabella 5.6 – Specifiche tecniche delle celle EEMB Battery Li-ion 18650.
107
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Facendo funzionare il programma di calcolo din_long.m (appendice A) si
ottengono i seguenti risultati:
• Potenza massima all'albero = 14 [kW];
108
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5.3.3 Confronto tra le soluzioni progettuali adottate
Trovate due valide soluzioni alternative alla prima, sembra opportuno
confrontare i parametri ed i risultati ottenuti da ognuna sentenziando quale,
tra le celle elettrochimiche scelte, sembri essere la più appropriata per la
costruzione del pacco batterie di AmbienTAXI.
Nella tabella seguente sono stati riportati i risultati cercando di rendere più
semplice ed immediato possibile il confronto tra le diverse soluzioni.
Velocità massima
[rpm]
Velocità base
[rpm]
Potenza massima all’albero
[kW]
Coppia massima all’albero
[Nm]
Energia minima accumulatori
[kWh]
Numero minimo celle
Numero minimo celle in serie
Numero minimo celle in parallelo
Numero effettivo celle
Massa effettiva degli accumulatori [kg]
Volume degli accumulatori
[m3]
Tensione eff. degli accumulatori [V]
Energia effettiva accumulatori [kWh]
Massa del veicolo
[kg]
Massa del veicolo con passeggeri [kg]
Autonomia teorica a 80 [km/h]
[km]
Autonomia teorica a 40 [km/h]
[km]
SAFT VL
37570
KOKAM
SLPB
68106100
EEMB LIR
18650
663,04
216,32
14,01
618,43
663,04
218,41
13,90
607,95
663,04
216,62
14
617,1
42,26
1.621
52
32
1.664
247,94
0,21
192,4
43,39
41,94
1.427
52
28
1.456
218,4
0,16
192,4
42,81
42,23
5.194
52
100
5.200
244,40
0,17
192,4
42,23
1.098
1.638
205
412
1.068
1.608
204
411
1.094
1.634
200
402
Tabella 5.7 – Confronto tra le soluzioni costruttive ipotizzate.
Dal confronto diretto è assolutamente insindacabile affermare che la
tipologia di celle più adatta è quella considerata nella Soluzione 2.
Le KOKAM SLPB 68106100, infatti, permettono di contenere la massa del
pacco di accumulatori essendo dotate di un’energia specifica superiore a
quella delle altre due; da questo fatto ne consegue che i valori di potenza e
coppia all’albero motore siano inferiori (anche se di poco).
Il motivo più importante però, per cui preferire questo tipo di celle alle
altre, è legato ad un’altra grandezza: il volume occupato. Grazie alla loro
109
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forma prismatica, infatti, risultano molto più adatte ad essere
“confezionate” rispetto alle rivali cilindriche.
Queste considerazioni sono fatte prescindendo da quelli che sono i requisiti
di raffreddamento ma soprattutto dai costi di approvvigionamento delle
singole celle. Una valutazione di natura economica sarebbe stata certo
opportuna, tuttavia si è ritenuto vano il suo sviluppo dato che, soprattutto in
settori come questo, giocano un ruolo fondamentale i volumi richiesti al
produttore. Non avrebbe avuto senso, infatti, ipotizzare di costruire 1, 10,
100 o 1000 pacchi di accumulatori senza prima completare il progetto di
AmbienTAXI ma soprattutto senza prima stimare le dimensioni del suo
bacino d’utenza.
110
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In questo capitolo si sono per prima cosa analizzate le modalità con cui le
case produttrici eseguono il test relativo al consumo di carburante delle
automobili. Una volta fatto ciò, è apparsa particolarmente interessante
l’idea di simulare, attraverso un opportuno programma di calcolo costruito
ad hoc, la realizzazione di tale test da parte di AmbienTAXI in modo da
ottenere un monito dei suoi consumi e poter rispondere una volta per tutte
alla domanda « AmbienTAXI ci fa realmente risparmiare rispetto ad un taxi
tradizionale? ».
6.1
Test di consumo carburante
Negli ultimi anni l’evoluzione della tecnologia, ma soprattutto il crescente
bisogno di mobilità del cittadino, hanno reso l’indice di consumo
carburante una delle leve più efficaci che il marketing può sfruttare per
promuovere le automobili. Sicuramente gli automobilisti più attenti ed
appassionati, infatti, avranno notato che sulla carta di circolazione delle
auto più recenti, sui relativi depliant e negli articoli delle riviste di settore,
vengono riportati tre diversi valori di consumo di carburante (espresso in
litri / 100 km): consumo nel ciclo urbano, extraurbano e misto o combinato.
Le grandi case automobilistiche hanno al proprio interno un reparto
dedicato solo ed esclusivamente allo studio delle prestazioni dei veicoli che
producono. È proprio qui che, prima di immettere una nuova gamma di
auto sul mercato, vengono eseguiti i test sul consumo di carburante; la loro
realizzazione è fatta sulla base di precise normative CEE che tutti i
costruttori sono tenuti a rispettare in sede di omologazione, per motivi di
uniformità.
Tuttavia, pochi conoscono esattamente le rigide e forse poco realistiche
procedure in base alle quali vengono ottenuti i valori di consumo medio
ufficializzati dai produttori. Tale ignoranza crea spesso malintesi, false
aspettative e talvolta contenziosi fra clienti e venditori che sfociano spesso
nel coinvolgimento del costruttore.
Di fatto, gli utilizzatori che prendono come riferimento i dati dichiarati
dalle case automobilistiche non hanno la possibilità pratica di effettuare
111
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una precisa e rigorosa prova di consumo né, tantomeno, possono riprodurre
fedelmente la metodologia e le condizioni ideali ricreate per l’esecuzione
dei test. Infatti, come preannunciato, tali test vengono effettuati in
laboratorio prendendo come campione una vettura che abbia percorso
almeno 3.000 [km] (quindi già rodata), montata su un banco prova a rulli,
in ambiente a temperatura e pressione controllate (20 [°C] e 1000 [mbar]).
Il veicolo, inoltre, deve montare gli pneumatici forniti di serie e al suo
interno è prevista la sola presenza del guidatore (il cui peso massimo non
deve superare i 75 [kg]).
Le simulazioni vengono effettuate ricreando due percorsi tipo: uno urbano
ed uno extraurbano. Entrambi prevedono uno stile di guida molto blando e
risparmioso, con picchi di velocità massimi che raggiungono, nel caso del
ciclo extraurbano, i soli 120 [km/h].
L'attuale test di consumo carburante rispetta la direttiva UE 1999/100 CE
che prevede una procedura assai diversa dalla precedente direttiva CEE
80/1268 che stabiliva invece rilevamenti a velocità costanti (90 e 120
[km/h]) di durate ben superiori.
Figura 6.1 – Spettro del test di consumo carburante come da normativa vigente [19].
La simulazione del ciclo urbano prevede una partenza da fermo ed a
motore freddo per raggiungere i 15 [km/h] con accelerazione costante; una
volta raggiunti, sosta per qualche istante a tal velocità con conseguente
decelerazione fino alla fermata con motore acceso. Dopo una breve pausa
nuova partenza per raggiungere (in modo progressivo e con uso del
cambio) i 30 [km/h] da mantenere anch’essi per qualche secondo per poi
112
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decelerare fino alla fermata. Nuova ripartenza con graduale ripresa fino a
50 [km/h], sosta, decelerazione fino a 30 [km/h], sosta ed infine ulteriore
decelerazione fino all'arresto del veicolo. Il tutto per un tempo totale di 195
[s] scandito da intervalli temporali precisi (vedi paragrafo 6.1.1) .
Tale ciclo deve essere ripetuto, con le stesse modalità, per 4 volte prima di
passare al test relativo al ciclo extraurbano che si effettua con la procedura
che viene elencata di seguito.
Graduale partenza da fermo per raggiungere, con l’uso del cambio, i 70
[km/h] da mantenere per qualche secondo, poi decelerare fino a 50 [km/h].
Riprendere velocità fino a 70 [km/h] e, dopo qualche secondo di pausa,
riprendere ulteriormente fino a 100 [km/h]. Dopo qualche ulteriore secondo
puntata fino a 120 [km/h] per poi decelerare decisamente fino all'arresto del
veicolo. Il tutto per una durata complessiva di 400 [s] che, sommati ai 780
[s] delle 4 prove precedenti, portano a 1180 [s] (circa 20 minuti) la durata
totale del test.
Il valore del consumo su ciclo combinato (o misto) non è un vero e proprio
test, ma semplicemente la media dei valori ottenuti dai cicli appena esposti.
Un altro elemento negativo ai fini del consumo, spesso ignorato o
sottovalutano dagli automobilisti, è l'uso del climatizzatore, dispositivo
ormai di serie su quasi la totalità delle auto oggi in produzione.
Naturalmente, nei test di omologazione descritti, il climatizzatore non viene
acceso, così come qualsiasi altro dispositivo in grado di assorbire anche la
minima quantità di energia superflua al moto.
Un altro elemento di particolare importanza che influenza (positivamente)
la prova è l’assenza di vento: in tal modo non si tiene conto della resistenza
aerodinamica, parametro che, come visto nel capitolo precedente, assume
particolare importanza al crescere della velocità.
Nel corso dei test al banco prova è previsto, infine, l’uso di dispositivi
addizionali esterni di raffreddamento ad aria (ventilatori) allo scopo di
mantenere le temperatura del refrigerante e dei lubrificanti entro i limiti
previsti.
113
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ___ ___ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______
__
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _ _____ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______
_
______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
6.1.1 Descrizione del percorso urbano preso in esame
Per quanto riguarda AmbienTAXI
bienTAXI si è ritenuto opportuno limitare la
simulazione al solo ciclo urbano giacché il suo utilizzo sarà perlopiù
confinato entro tale zona. È importante sottolineare che il percorso preso in
esame è stato ricostruito sulla base di una valutazione del tutto
tutto personale
del grafico in Figura 6.1:: gli intervalli temporali di sosta, accelerazione e
decelerazione, non essendo riportati esplicitamente, sono stati fissati
attraverso
rso una valutazione prettamente qualitativa.
qualitativa
In Figura 6.2 è riportato il ciclo urbano
urbano ricostruito in questa sede con i
relativi intervalli di tempo.
Figura 6.2 – Spettro del ciclo urbano.
urbano
Lo scheduling temporale è il seguente (grandezze espresse in secondi):
secondi)
•
•
•
•
•
•
•
114
0 ÷ 6,1
6,1 ÷ 12,2
12,2 ÷ 18,3
18,3 ÷ 24,4
24,4 ÷ 48,8
48,8 ÷ 65,1
65,1 ÷ 81,4
→
Sosta a velocità nulla;
→
Accelerazione
ccelerazione costante fino a 15 [km/h];
→
Sosta a velocità di 15 [km/h];
→
Decelerazione fino alla fermata;
→
→
Accelerazione
ccelerazione costante fino a 30 [km/h];
→
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
•
•
•
•
•
•
•
81,4 ÷ 97,7
97,7 ÷ 121,9
121,9 ÷ 146,3
146,3 ÷ 158,5
158,5 ÷ 170,7
170,7 ÷ 182,9
182,9 ÷ 195
→
→
→
→
→
→
→
Decelerazione fino alla fermata;
Accelerazione costante fino a 50 [km/h];
Decelerazione fino a 30 [km/h];
Decelerazione fino alla fermata.
115
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
6.2 Simulazione di percorrenza del ciclo urbano da parte di
AmbienTAXI: stima dei consumi e dei costi
La simulazione in esame ha richiesto un approccio un po’ diverso da quello
già visto ed analizzato nel capitolo precedente; pur richiamando alcuni dei
concetti già visti, infatti, quest’analisi preclude la considerazione di una
nuova variabile di cui ancora non si è parlato: il tempo.
Stimare la potenza spesa per raggiungere una certa velocità, senza però
tenere conto del tempo impiegato per raggiungerla, avrebbe significato in
qualche modo barare. Un conto, infatti, è raggiungere i 50 [km/h] in 20
secondi, un altro è farlo in 5: il dispendio di energia è per forza di cose
diverso!
6.2.1 Teoria sulla dinamica del veicolo
La teoria che sta alla base di questo capitolo richiama in maniera quasi
ovvia quella già riportata in precedenza, fondandosi però su considerazioni
di tipo dinamico, cioè
+ + = ≤ = ∙ dove ed sono rispettivamente la massa e l’accelerazione del veicolo.
Come è stato detto in precedenza, affinché AmbienTAXI raggiunga una
velocità stabilita, deve sussistere una forza di avanzamento in grado
di contrastare la resistenza totale ; la legge fondamentale della dinamica
giustifica la parte destra dell’equazione riportata.
Prendendo in considerazione solo tale scorcio di equazione si ha che
= ∙ = ∙
cioè, ci si accorge che finalmente entra a far parte del gioco anche la
variabile temporale. è chiaramente una funzione della velocità della
vettura pertanto d’ora in poi verrà riportata con la notazione ().
116
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
A questo punto l’equazione diventa
(
) = ∙
che non è altro che un’equazione differenziale lineare del primo ordine
omogenea a coefficienti costanti la cui risoluzione è ottenibile
semplicemente attraverso la separazione delle variabili nel modo che segue
= ∙
con
(
)
(
) = + ( !" # + $% &' ()
A
che quindi diventa
B
(
) = ) + * .
È doveroso precisare che tale espressione non è propriamente quella di studiata precedentemente: qui si sono trascurati i termini di velocità
quadrati e quartici relativi alla componente di rotolamento. Tale scelta,
risultata essenziale per la risoluzione dell’integrale, tuttavia si stima che
non abbia alterato in maniera significativa il risultato finale.
La risoluzione dell’equazione differenziale diventa quindi
+ = + ∙
) + *
Moltiplicando è dividendo per ) (valore non nullo) nella parte destra si
ottiene
117
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
+ = + ∙
) + *,
)
la cui risoluzione è
-.
= /
2 3
45
) 0*⁄)
0*⁄)
che, scritta in maniera esplicita, diventa
− =
2 3
2 3
78/
45 − /
459:
)
0*⁄)
0*⁄)
0*⁄)
0*⁄)
Questa espressione permette di calcolare l’intervallo di tempo che trascorre
nel passaggio da una velocità ; ad una velocità < .
Con un esempio si intende far capire il ragionamento utilizzato nella
simulazione; verranno presi in considerazione i primi 24,4 [s] del test (vedi
Figura 6.2):
• 1° tratto – Sosta a velocità nulla: in questa fase i consumi di energia
sono stati considerati nulli.
• 2° tratto – Accelerazione costante fino a 15 [km/h]: il consumo di
energia è stato calcolato come prodotto della potenza spesa per il
tempo impiegato. Per calcolare opportunamente la potenza spesa è
stato essenziale fare riferimento all’equazione riportata poc’anzi.
Nell’esempio in questione le velocità ; e < sono rispettivamente 0
e 4,167 [m/s] (valore corrispondente a 15 [km/h]), =; è supposto pari
a 0 e i coefficienti di > e ? sono i medesimi utilizzati nelle equazioni
del capitolo precedente (NB che @ = 0).
Con queste ipotesi il calcolo di =< dà come risultato 32 [s]: significa
che, erogando una potenza pari a () ∙ < , il tempo per passare da
; a < è di 32 [s] contro i 6,1 [s] richiesti dallo scheduling del ciclo.
Per ottenere il tempo atteso và dunque introdotta una costante
moltiplicativa su > e ? che, in pratica, incrementa il valore della
118
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forza di avanzamento alla quale AmbienTAXI è sottoposto
(simulando di fatto il pedale dell’acceleratore). Il processo va
condotto per tentativi variando di volta in volta la costante
moltiplicativa fintantoché il tempo =< non risulta essere pari a quello
dettato dal ciclo.
Nella fattispecie utilizzando un valore di 5.25 per la costante, si
ottiene un tempo =< idoneo.
• 3° tratto – Sosta a velocità di 15 [km/h]: qui il consumo di energia è
stato semplicemente ottenuto moltiplicando l’intervallo di tempo per
la forza di avanzamento necessaria solamente a vincere le resistenze
offerte dall’aerodinamica e dal rotolamento.
• 4° tratto – Decelerazione fino alla fermata: si è ipotizzato di poter
recuperare parte dell’energia cinetica posseduta dal veicolo.
L’effettiva realizzazione di tale recupero è da ricondurre all’utilizzo
di un apparato di recupero dell’energia progettato ad hoc per
l’applicazione in esame. La tecnologia più appropriata potrebbe
essere quella degli ultracapacitors, di gran lunga più sicuri e
appropriati (rispetto alle batterie a volano) per applicazioni elettriche
come quella in questione.
In notazione algebrica l’energia recuperata vale
ABC = DEFE_BC ∙
∙ ∙ dove
- HIJI_KLM è il rendimento del sistema di recupero (ipotizzato di 0,3);
- è la massa di AmbienTAXI [kg];
- è la velocità di AmbienTAXI [m/s].
6.2.2 Risultati della simulazione
Oltre alla valutazione dell’energia spesa durante tutto il ciclo urbano, è
sembrato utile rapportare i consumi di AmbienTAXI con quelli dei tre
veicoli presi in considerazione nel primo capitolo; infine, da semplici
calcoli di carattere economico, dopo aver supposto i costi di carburante e ed
energia elettrica, si è valutato il costo da affrontare per percorrere l’intero
ciclo studiato.
Di seguito si riportano i consumi su ciclo urbano delle auto considerate:
119
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• Toyota Prius – 25 [km/lbenzina];
• Renault Scenic – 13,7 [km/ldiesel];
• Wolkswagen Passat – 13,3 [km/ldiesel].
Per quanto riguarda i costi di carburante ed energia elettrica invece si sono
ipotizzati i seguenti valori:
• Benzina – 1,2 [€/l];
• Diesel – 1,1 [€/l];
• Energia elettrica – 0,12 [€/kWh] (tariffa notturna).
Come per tutte le altre simulazioni effettuate finora, anche in questo caso si
è ricorso al software Matlab; facendo funzionare il programma di calcolo
dal nome urban_cycle (appendice H) si ottengono i seguenti risultati:
Prima accelerazione del ciclo
• Velocità raggiunta = 15 [km/h];
• Tempo impiegato per raggiungerla = 6.1 [s];
• Costante moltiplicativa = 5.25;
• Potenza spesa = 4.89 [kW];
• Energia spesa durante la fase di accelerazione = 0.00829 [kWh];
• Energia spesa per mantenere la velocità = 0.00158 [kWh];
• Distanza percorsa in tale frangente = 50.83 [m];
Seconda accelerazione del ciclo
Terza accelerazione del ciclo
120
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Prestazioni totali del ciclo
• Energia erogata = 0.25826 [kWh];
• Energia recuperata = 0.01909 [kWh];
• Energia effettivamente spesa = 0.23917 [kWh];
• Distanza totale percorsa = 949.44 [m];
Valutazioni economiche sulla spesa di carburante per compiere il ciclo
• Spesa Prius = 0.0456 [€];
• Spesa Scenic = 0.0762 [€];
• Spesa Passat = 0.0785 [€];
• Spesa AmbienTAXI = 0.0287 [€].
121
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122
Conclusioni
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
Conclusioni
AmbienTAXI è un veicolo elettrico pensato per rivoluzionare il concetto di
mobilità urbana. L’innovativo allestimento degli interni e il sistema di
propulsione totalmente elettrico lo rendono particolarmente adatto per
l’utilizzo su un territorio cittadino, fortemente trafficato e perciò soggetto
ad inquinamento.
La trattazione è iniziata con una panoramica generale del progetto ma, già
dal secondo capitolo, ha focalizzato l’attenzione su quello che è stato il
vero e proprio tema della tesi e cioè lo studio e il dimensionamento dei
sistemi di accumulo e di propulsione del veicolo.
Nonostante siano state analizzate svariate tecnologie inerenti all’uno e
all’altro ambito, la scelta di dotare AmbienTAXI di un pacco batterie al litio
e di motori elettrici “in-wheel” di tipo PMSM è sembrata sin da subito
l’unica soluzione possibile.
La motivazione che ha visto preferire su tutte le celle al litio è certamente
legata all’alta energia specifica che le contraddistinguono. Con valori
intorno ai 170÷190 [Wh/kg] le celle Li-ion (Litio - ione) e Li-poly (Litio polimero) risultano, infatti, particolarmente adatte per applicazioni mobili,
dove il peso è una delle più importanti criticità progettuali.
I motivi che, invece, hanno fatto scegliere un determinato tipo di propulsori
piuttosto che un altro sono riconducibili a due fattori principali: il bisogno
di limitare al massimo gli ingombri e la qualità delle prestazioni intesa sia
in chiave di alto rendimento meccanico che di assenza di manutenzione.
Il dimensionamento del pacco batterie ha messo in luce le migliori
prestazioni delle celle utilizzate nella soluzione 2, le KOKAM Li-poly
SLPB 68106100, rispetto alle altre considerate; migliori prestazioni che,
però, potrebbero non bastare a decretare tali celle come le più adatte a
costituire il pacco batterie di AmbienTAXI.
Nonostante il loro utilizzo garantisca peso e volume ridotti, infatti, non si è
mai parlato dei costi di approvvigionamento che, qualora risultassero molto
superiori a quelli delle altre celle, farebbero cambiare idea sulla loro
convenienza d’impiego. Come già stato detto nel corso della trattazione,
ciò che ha scoraggiato una valutazione di tipo economico sull’acquisto
delle batterie è stata la mancanza di basi solide sulle quali poter instaurare
123
Conclusioni
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
un rapporto con i produttori. Senza prima stimare il numero di componenti
necessari e finire il progetto AmbienTAXI, infatti, non si avrebbe potuto
contare su un solido potere contrattuale che invece, soprattutto in settori
come quello dell’elettronica, riveste un’elevata importanza.
L’approccio utilizzato nello studio del sistema di propulsione è stato
diverso; a differenza delle celle elettrochimiche (estremamente flessibili in
quanto ad assemblabilità), i motori elettrici, soprattutto se del tipo scelto,
vanno progettati e costruiti ad hoc, partendo da precisi ed accurati
parametri progettuali forniti dalle maschere di dimensionamento di
coppià/velocità e potenza/velocità. Grazie alla decisione di limitare la
velocità massima del veicolo ad 80 [km/h], si sono ottenuti dei valori di
potenza di gran lunga inferiori a quelli usualmente installati sulle vetture in
commercio; d’altro canto, però, l’assenza di una trasmissione meccanica
riducente tra motori e ruote, ha comportato richieste di coppia a rotore
bloccato molto alte.
Come certamente ognuno di noi sa, i veicoli dotati di propulsione elettrica
hanno la peculiarità di poter recuperare parte dell’energia che viene
dissipata in fase di frenata, decelerazione o percorrenza su un tratto di
strada in discesa. La stima approssimativa dell’entità del reintegro della
carica in ognuna delle situazioni appena elencate, ha permesso di condurre,
nell’ultimo capitolo, un’interessante analisi sul consumo energetico urbano
di AmbienTAXI. I risultati della simulazione sono stati sorprendenti
soprattutto alla luce del risparmio economico che ne è conseguito; con un
solo euro di spesa, infatti, è risultato che AmbinenTAXI può arrivare a
percorre su un circuito cittadino oltre 33 [km] contro i soli 21 della Prius e
i 12 di Scenic e Passat.
Questa stima, pur non considerando i costi di ammortamento del cambio
batterie (che si presuppone debba essere affrontato circa ogni 4 anni o
1.000÷1.200 cicli di carica/scarica), decreta che l’utilizzo di AmbienTAXI
apporta un risparmio immediato di un secco 33% rispetto alla Prius e di
quasi il 66% rispetto a Scenic e Passat.
Questi semplici calcoli lasciano il tempo che trovano se, come appena
detto, viene considerato anche l’ammortamento degli accumulatori (a tutti
gli effetti da considerarsi “costo carburante”), oggi ancora molto costosi e
non del tutto appropriati in termini di sicurezza.
Prescindendo dalle ragioni di natura politica, in merito alle quali non è
certamente opportuno parlare in questa sede, si può asserire che proprio gli
accumulatori siano l’unica vera causa della mancata diffusione dei veicoli
124
Conclusioni
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
elettrici al giorno d’oggi. Se, infatti, le tecnologie dei motori e
dell’elettronica in genere possono considerarsi mature per applicazioni di
questo tipo, non si può dire lo stesso per i sistemi di accumulo dell’energia
che, come mai prima d’ora, sono protagonisti di innumerevoli progetti di
ricerca anche a livello mondiale.
Confidando, dunque, di poter disporre di valide soluzioni entro breve
tempo, ci si sente di concludere sottolineando l’importanza di continuare a
credere in progetti innovativi come quello di AmbienTAXI; progetti che,
oltre a fronteggiare il grosso problema dell’inquinamento urbano, ci si
augura possano aiutare a superare anche la tanto agognata crisi economica
degli ultimi tempi.
125
Conclusioni
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
126
Ringraziamenti
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
Ringraziamenti
Ringrazio sentitamente il Prof. Alessandro Gasparetto, il Prof. Roberto
Petrella e il Prof. Vanni Zanotto per la loro disponibilità nell’aiutarmi in
questo lavoro. A nome di tutto l’EngineeGREEN team, un ringraziamento
speciale al Prof. Dino Baggio per aver creduto fin da subito al progetto e
per tutto il tempo dedicatoci.
Nella sfera degli affetti personali voglio ringraziare tutti i membri della mia
famiglia, gli amici e quelle persone che, in un modo o nell’altro, hanno
contribuito a farmi raggiungere questo traguardo.
127
Ringraziamenti
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
128
Bibliografia
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
Bibliografia
Riferimenti citati all’interno della tesi
[1] – SAFT, http://www.saftbatteries.com/
[2] – KOKAM, http://www.kokam.com/english/index.html
[3] – MES-DEA, http://www.axu.it/md/
[4] – MAXWELL, http://www.maxwell.com/
[5] – Tesla Roadster, http://www.teslamotors.com/
[6] – Tesla S, http://www.teslamotors.com/models/index.php
[7] – Venturi Fetish, http://www.venturifetish.fr/fetish.html
[8] – Venturi Volage, http://www.venturivolage.fr/gtlight.html
[9] – Panda elettrica ATEA, http://www.atea.it/panda-elettriche.htm
[10] – Twingo elettrica ATEA, http://www.atea.it/twingo-elettriche.htm
[11] – Mega vehicles, http://www.mega-vehicles.it/accueil.php
[12] – Fiat Phylla, http://www.regione.piemonte.it/energia/images/stories/
dwd/inevidenza/phylla.pdf
[13] – FAAM, http://www.faam.com/
[14] – Alkè, http://www.alke.it/
[15] – Estrima, http://www.estrima.com/
[16] – Mini GGT design, http://www.ggtelectric.com/mini_cooper.php
[17] – MECCANICA DELL’AUTOVEICOLO, Giancarlo Genta, Editrice
Levrotto & Bella, Torino, 2000
[18] – EEMB, http://www.eemb.com/Li-ion_battery.html
[19] – Consumi, http://www.sicurauto.it/guide-utili/consumi-auto-come-siottengono.htm
Altri riferimenti
– IL PROJECT MANAGEMENT, Stefano Tonchia, Il sole 24 ORE, Milano,
giugno 2005
– PRINCIPI ED APPLICAZIONI DI ELETTROTECNICA (Volume
Secondo), Massimo Guarnieri e Andrea Stella, Edizioni Progetto Padova,
Padova, 1999
129
Bibliografia
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
– SISTEMA DI TRAZIONE IBRIDO DI POTENZA MOTOCICLISTICA
(Tesi di Laurea), Martellani Giacomo, Università degli Studi di Udine,
2008/2009
130
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
Appendice
appendice A
(din_long.m)
clear
clc
format long
%Dati riguardanti AmbienTAXI
m_tel=850;
%massa telaio AmbienTAXI [kg]
num_pass=6;
%numero passeggeri
m_pass=90;
%massa di un passeggero con bagaglio [kg]
v_max_km=80;
%velocità massima [km/h]
v_max=v_max_km/3.6;
%velocità massima [m/s]
pen_max_deg=6;
%pendenza massima [deg]
pen_max=pen_max_deg*pi/180;%pendenza massima [rad]
eta_tr=1;
%rendimento della trasmissione
aut_min=200;
%autonomia minima a 80 [km/h]
%Dati riguardanti lo pneumatico
l_can=225;
%larghezza canale [mm]
h_sp=35;
%altezza spalla [%]
d_ce=19;
%diametro cerchio [inch]
%Dati riguardanti il motore
v_m_max=v_max_km*100/6/pi/(((l_can*h_sp)/50000)+(d_ce*0.0254));%veloci
tà max motore [rpm]
eta_m=0.85;
%rendimento motore
%Dati riguardanti le celle elettrochimiche
en_sp=0.175;
%energia specifica cella [kWh/kg]
v_cel=3.7;
%tensione di una cella [V]
m_cel=0.149;
%massa di una cella [kg]
d=37.4/1000;
%diametro di una cella [m]
h=59.5/1000;
%altezza di una cella [m]
%lung=106/1000;
%lunghezza [m] (celle prismatiche)
%spes=6.8/1000;
%spessore [m] (celle prismatiche
vol_cel=pi*(d/2)^2*h;
%volume di una cella [m^3]
%vol_cel=h*lung*spes;
%volume di una cella [m^3] (celle prismatiche)
c_imp=1.9420;
%coefficiente di impaccamento
%c_imp=1.5;
%coefficiente di impaccamento (celle
prismatiche)
i_batt_max=14;
%corrente max erogabile da una cella [A]
%Dati riguardanti il convertitore
v_bus_cc=192;
%tensione bus in continua
eta_d=0.975;
%rendimento convertitore
%Calcolo della potenza
p_r1(1)=0;
p_r1(2)=pot_vel_avanz(v_max,m_tel+(num_pass*m_pass),0,0);
max alla ruota [kW]
i=2;
%potenza
131
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
while abs(p_r1(i-1)-p_r1(i))>0.1
p_m_max_al=p_r1(i)/eta_tr;
%potenza max
all'albero [kW]
i=i+1;
%batterie
p_pacco=(p_m_max_al/(eta_m*eta_d));
%potenza max erogata
dal pacco [kW]
i_pacco=p_pacco*1000/v_bus_cc;
%corrente richiesta
dalle batterie [A]
m_min_batt=(aut_min*p_pacco)/(v_max_km*en_sp); %massa minima
batterie [kg]
min_cel=ceil(m_min_batt/m_cel);
%numero di celle
minimo
min_cel_ser=ceil(v_bus_cc/v_cel);
%numero minimo di
celle in serie
min_cel_par1=ceil(min_cel/min_cel_ser);
%numero minimo di
celle in parallelo (autonomia)
min_cel_par2=ceil(i_pacco/i_batt_max);
%numero minimo di
celle in parallelo (corr max)
min_cel_par=max(min_cel_par1,min_cel_par2); %numero minimo di
celle in parallelo
tot_cel=ceil(min_cel_ser*min_cel_par);
%numero totale celle
nel pacco
m_cel_eff=tot_cel*m_cel;
%massa pacco batterie
[kg]
%taxi
m_tot=m_cel_eff+m_tel+(num_pass*m_pass);
p_r1(i)=pot_vel_avanz(v_max,m_tot,0,0);
ruota [kW]
end
%motore
p_r=(p_r1(i)+p_r1(i-1))/2;
[kW]
p_m_max_al=p_r/eta_tr;
[kW]
%batterie
p_pacco=(p_m_max_al/(eta_m*eta_d));
dalle batterie [kW]
i_pacco=p_pacco*1000/v_bus_cc;
dalle batterie [A]
m_min_batt=(aut_min*p_pacco)/(v_max_km*en_sp);
[kg]
energia_min_batt=m_min_batt*en_sp;
pacco deve contenere [kWh]
min_cel=ceil(m_min_batt/m_cel);
min_cel_ser=ceil(v_bus_cc/v_cel);
in serie
min_cel_par1=ceil(min_cel/min_cel_ser);
in parallelo (autonomia)
min_cel_par2=ceil(i_pacco/i_batt_max);
in parallelo (corr max)
min_cel_par=max(min_cel_par1,min_cel_par2);
in parallelo
tot_cel=ceil(min_cel_ser*min_cel_par);
nel pacco
m_cel_eff=tot_cel*m_cel;
[kg]
132
%massa taxi [kg]
%potenza max alla
%potenza max alla ruota
%potenza max all'albero
%potenza max erogata
%corrente richiesta
%massa minima batterie
%energia minima che il
%numero di celle minimo
%numero minimo di celle
%numero totale celle
%massa pacco batterie
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
vol_tot=vol_cel*c_imp*tot_cel;
[m^3]
v_real=min_cel_ser*v_cel;
pacco [V]
energia_batt=m_cel_eff*en_sp;
contenuta dal pacco [kWh]
%taxi
m_tot=m_cel_eff+m_tel+(num_pass*m_pass);
m_sc=m_cel_eff+m_tel;
aut_eff=(m_cel_eff*v_max_km*en_sp)/p_pacco;
v_max [km]
rapp_tr=1;
trasmissione
%volume totale celle
%tensione effettiva
%energia effettivamente
%massa taxi [kg]
%massa totale [kg]
%autonomia eff alla
%rapporto di
%motore2
p_r2=pot_vel_avanz(v_max/2,m_tot,0,0);
%potenza max
a metà della v_max [kW]
p_m_max_al2=p_r2/eta_tr;
%potenza max
a metà della v_max [kW]
p_pacco2=(p_m_max_al2/(eta_m*eta_d));
%potenza max
dalle batterie a metà della v_max [kW]
aut_eff2=(m_cel_eff*(v_max_km/2)*en_sp)/p_pacco2;%autonomia
della v_max [km]
alla ruota
all'albero
erogata
eff a metà
%velocità base
v_b=pot_vel_avanz(p_r,m_tot,pen_max,1);
%velocità base [km/h]
r=v_max/v_b;
%range a potenza
costante
w_fw=r;
v_m_base=v_m_max/w_fw;
%velocità base [rpm]
c_m_max_al=(p_m_max_al*1000/((2*pi*v_m_base)/60));%coppia max
all'albero [Nm]
%risultati
disp(['RISULTATI OTTENUTI'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['Dati riguardanti i propulsori'])
disp(['Velocità massima = ' num2str(v_m_max,'%.2f') ' [rpm]'])
disp(['Velocità base = ' num2str(v_m_base,'%.2f') ' [rpm]'])
disp(['Potenza massima all''albero = ' num2str(p_m_max_al,'%.2f') '
[kW]'])
disp(['Coppia massima all''albero = ' num2str(c_m_max_al,'%.2f') '
[Nm]'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['Dati riguardanti gli accumulatori'])
disp(['Energia minima che gli accumulatori devono contenere = '
num2str(energia_min_batt,'%.2f') ' [kWh]'])
disp(['Numero minimo celle = ' num2str(min_cel)])
disp(['Numero minimo celle in serie = ' num2str(min_cel_ser)])
disp(['Numero minimo celle in parallelo = ' num2str(min_cel_par)])
disp(['Numero effettivo celle = ' num2str(tot_cel)])
disp(['Massa effettiva degli accumulatori = '
num2str(m_cel_eff,'%.2f') ' [kg]'])
disp(['Volume effettivo degli accumulatori = ' num2str(vol_tot,'%.2f')
' [m^3]'])
disp(['Tensione effettiva degli accumulatori = '
num2str(v_real,'%.2f') ' [V]'])
133
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
disp(['Energia effettivamente contenuta negli accumulatori = '
num2str(energia_batt,'%.2f') ' [kWh]'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['Dati riguardanti AmbienTAXI'])
disp(['Massa del veicolo = ' num2str(m_sc,'%.0f') ' [kg]'])
disp(['Massa del veicolo con passeggeri = ' num2str(m_tot,'%.0f') '
[kg]'])
disp(['Autonomia teorica a 80 [km/h] = ' num2str(aut_eff,'%.0f') '
[km]'])
disp(['Autonomia teorica a 40 [km/h] = ' num2str(aut_eff2,'%.0f') '
[km]'])
134
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice B
pot_vel_avanz.m
function [p_r]=potenza(v,M_tot,pend,a)
if(a==0) %CALCOLO DELLE FORZE E POTENZE IN GIOCO
g=9.81;
%accelerazione di gravità [m/s]
Rho_aria=1.2258;
%densità dell'aria [kg/m^3]
C_x=0.32;
%coefficiente di penetrazione frontale
S=3.8;
%superficie frontale [m^3]
C_z=-0.21;
%coefficiente di penetrazione laterale
K=6.5e-6;
%coefficiente
f_0=0.013;
%coefficiente
%Calcolo delle forze resistenti
F_pen=M_tot*g*sin(pend);
F_rot=[[M_tot*g*cos(pend)*f_0]+[M_tot*g*cos(pend)*K*(v).^2][0.5*Rho_aria*(v).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*v.^2*S*C_x;
%Calcolo della potenza resistente totale
p_r=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v)/1000);
else %CALCOLO DELLA VELOCITA' BASE
g=9.81;
%accelerazione di gravità [m/s]
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
%coefficiente
f_0=0.013;
%coefficiente
vel(1)=0;
pot(1)=0;
i=2;
while
abs(pot(i-1)-v)>0.01
vel(i)=vel(i-1)+0.01;
i=i+1;
F_pen=M_tot*g*sin(pend);
F_rot=[[M_tot*g*cos(pend)*f_0]+[M_tot*g*cos(pend)*K*(vel(i-1)).^2][0.5*Rho_aria*(vel(i-1)).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*vel(i-1).^2*S*C_x;
pot(i-1)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*vel(i-1)/1000));
end
pot=pot(i-1);
p_r=vel(i-1);
end
135
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice C
graph_res_power.m
clear
clc
format long
M_tot=1638;
g=9.81;
alfa_p_deg=6;
alfa_p=alfa_p_deg*pi/180;
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
f_0=0.013;
v_max_km=80;
v_max_ms=v_max_km/3.6;
eta_tr=1;
l_can=225;
h_sp=35;
d_ce=19;
%massa totale del veicolo [kg]
%accelerazione di gravità [m/s^2]
%pendenza massima [rad]
%coefficiente
%coefficiente
%larghezza canale dello pneumatico [mm]
%altezza spalla dello pneumatico [%]
%diametro cerchio dello pneumatico [inch]
v=0:0.01:25;
F_pen=M_tot*g*sin(alfa_p);
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*v.^2][0.5*Rho_aria.*v.^2*S*C_z*f_0]];
F_rot_aer=F_rot+F_aer;
F_tot=F_pen+F_rot+F_aer;
pot_vel_avanz=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v)/1000);
pot_pen=((F_pen*v)/1000);
pot_rot=((F_rot.*v)/1000);
pot_aer=((F_aer.*v)/1000);
figure(1)
hold on;
grid on;
plot(v,F_aer/1000,'*g',v,F_rot/1000,'*c',v,F_tot/1000,'*b',v,F_pen/100
0,'*r')
axis([0 25 0 3.2]);
xlabel('Velocità del veicolo [m/s]');
ylabel('Resistenza alla ruota [kN]');
title('RESISTENZA ALLA RUOTA PER UNA PENDENZA DI 6 [deg]');
legend('Resistenza aerodinamica','Resistenza al
rotolamento','Resistenza totale','Resistenza alla pendenza');
F_rot_v=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(80/3.6)^2][0.5*Rho_aria*(80/3.6)^2*S*C_z*f_0]];
F_aer_v=0.5*Rho_aria*(80/3.6)^2*S*C_x;
F_tot_v=(F_pen+F_rot_v+F_aer_v)/1000;
v_1=0:0.01:22.22;
y_1=F_tot_v;
v_2=22.222;
y_2=0:0.001:F_tot_v;
plot(v_1,y_1,'b',v_2,y_2,'b')
pot_vel_avanz_max(1)=0;
v_base(1)=0;
i=2;
while abs(pot_vel_avanz_max(i-1)-14.01*eta_tr)>0.001%DATO DA REPERIRE
IN din_long.m
136
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
v_base(i)=v_base(i-1)+0.001;
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v_base(i)).^2
]-[0.5*Rho_aria.*(v_base(i)).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*(v_base(i)).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_max(i)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v_base(i))/1000);
i=i+1;
end
figure(2)
hold on;
grid on;
axis([0 22.5 0 22]);
plot(v,pot_aer,'*g',v,pot_rot,'*c',v,pot_vel_avanz,'*b',v,pot_pen,'*r'
)
xlabel('Velocità del veicolo [m/s]')
ylabel('Potenza alla ruota [kW]')
title ('POTENZA ALLA RUOTA PER UNA PENDENZA DI 6 [deg]')
legend('Potenza per vincere la res. aerodinamica','Potenza per vincere
la res. al rotolamento','Potenza totale richiesta dal
veicolo','Potenza per vincere la pendenza');
plot(v_base,pot_vel_avanz_max,'*k')
v_v=v_base(i-1):0.01:v_max_ms;
plot(v_v,pot_vel_avanz_max(i-1),'*k')
v_base_ms=v_base(i-1);
v_base_kmh=v_base_ms*3.6;
v_base_rpm=v_base_kmh*100/6/pi/(((l_can*h_sp)/50000)+(d_ce*0.0254));
pot_vel_avanz_max=pot_vel_avanz_max(i-1);
figure(3)
F_pen_0=M_tot*g*sin(0);
F_rot_0=[[M_tot*g*cos(0)*f_0]+[M_tot*g*cos(0)*K*v.^2][0.5*Rho_aria.*v.^2*S*C_z*f_0]];
F_aer_0=0.5*Rho_aria.*v.^2*S*C_x;
F_tot_0=F_pen_0+F_rot_0+F_aer_0;
pot_vel_avanz_0=(((F_pen_0+F_rot_0+F_aer_0).*v)/1000);
pot_pen_0=((F_pen_0.*v)/1000);
pot_rot_0=((F_rot_0.*v)/1000);
pot_aer_0=((F_aer_0.*v)/1000);
hold on;
grid on;
plot(v,F_aer_0/1000,'*g',v,F_rot_0/1000,'*c',v,F_tot_0/1000,'*b',v,F_p
en_0/1000,'*r')
axis([0 25 0 1]);
xlabel('Velocità del veicolo [m/s]');
ylabel('Resistenza alla ruota [kN]');
title('RESISTENZA ALLA RUOTA PER UNA PENDENZA DI 0 [deg]');
legend('Resistenza aerodinamica','Resistenza al
rotolamento','Resistenza totale','Resistenza alla pendenza');
F_pen_v_0=M_tot*g*sin(0);
F_rot_v_0=[[M_tot*g*cos(0)*f_0]+[M_tot*g*cos(0)*K*(80/3.6)^2][0.5*Rho_aria*(80/3.6)^2*S*C_z*f_0]];
F_aer_v_0=0.5*Rho_aria*(80/3.6)^2*S*C_x;
F_tot_v_0=(F_pen_v_0+F_rot_v_0+F_aer_v_0)/1000;
pot_vel_avanz_v_0=(((F_pen_v_0+F_rot_v_0+F_aer_v_0)*(80/3.6))/1000);
pot_pen_v_0=((F_pen_v_0*(80/3.6))/1000);
pot_rot_v_0=((F_rot_v_0*(80/3.6))/1000);
pot_aer_v_0=((F_aer_v_0*(80/3.6))/1000);
pot_tot_v_0=(pot_pen_v_0+pot_rot_v_0+pot_aer_v_0);
v_1=0:0.01:22.22;
137
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
y_1=F_tot_v_0;
v_2=22.222;
y_2=0:0.001:F_tot_v_0;
plot(v_1,y_1,'b',v_2,y_2,'b')
figure(4)
hold on;
grid on;
axis([0 25 0 20]);
plot(v,pot_aer_0,'*g',v,pot_rot_0,'*c',v,pot_vel_avanz_0,'*b',v,pot_pe
n_0,'*r')
title ('POTENZA ALLA RUOTA PER UNA PENDENZA DI 0 [deg]')
legend('Potenza per vincere la res. aerodinamica','Potenza per vincere
la res. al rotolamento','Potenza totale richiesta dal
veicolo','Potenza per vincere la pendenza');
v_1=0:0.01:22.22;
y_1=pot_tot_v_0;
v_2=22.222;
y_2=0:0.001:pot_tot_v_0;
plot(v_1,y_1,'b',v_2,y_2,'b')
disp([' '])
disp([' '])
disp(['VELOCITA'''])
disp(['Velocità base= ' num2str(v_base_ms,'%.3f') ' [m/s]'])
disp(['Velocità base= ' num2str(v_base_kmh,'%.3f') ' [km/h]'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['RESISTENZA'])
disp(['Resistenza alla velocità massima (80 [km/h])= '
num2str(F_tot_v,'%.2f') ' [kN]'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['POTENZA'])
disp(['Potenza massima richiesta= ' num2str(pot_vel_avanz_max,'%.2f')
' [kW]'])
138
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice D
power_hub_mot_inv.m
clear all
clc
format long
M_tot=1638;
g=9.81;
alfa_p_deg=6;
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
f_0=0.013;
%coefficiente
%coefficiente
rpm_max_mot=663;
%DATO DA REPERIRE IN din_long.m
rpm_ruo_v_max=663;
rpm_ruo_v_base=216;
pot_vel_avanz_max=14.01;
r_tr_mecc=rpm_max_mot/rpm_ruo_v_max;
eta_tr_mecc=1;
r_tr_ruo=8.288;
pot_vel_avanz_mot_max=pot_vel_avanz_max/eta_tr_mecc;
v_max_kmh=80;
v_max_ms=v_max_kmh/3.6;
v_ms=0:0.01:22.22;
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K.*(v_ms).^2][0.5*Rho_aria.*(v_ms).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*(v_ms).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v_ms)/1000);
pot_pen=((F_pen*v_ms)/1000);
pot_rot_aer=(((F_rot+F_aer).*v_ms)/1000);
pot_vel_avanz_mot=pot_vel_avanz/eta_tr_mecc;
pot_pen_mot=pot_pen/eta_tr_mecc;
pot_rot_aer_mot=pot_rot_aer/eta_tr_mecc;
v_kmh=v_ms*3.6;
rpm_ruo=v_kmh*r_tr_ruo;
rpm_mot=rpm_ruo*r_tr_mecc;
figure(1)
hold on;
plot(rpm_mot,pot_rot_aer_mot,'*g',rpm_mot,pot_pen_mot,'*r',rpm_mot,pot
_vel_avanz_mot,'*b');
axis([0 700 0 22])
grid on;
xlabel('Velocità del motore[rpm]');
ylabel('Potenza all''asse motore [kW]');
title('POTENZA ALL''ASSE MOTORE PER UNA PENDENZA DI 6 [deg]');
legend('Potenza per vincere la res. aerodinamica e al
rotolamento','Potenza per vincere la pendenza','Potenza totale
all''asse motore');
rpm_mot_v_base=rpm_ruo_v_base*r_tr_mecc;
rpm_mot_a(1)=0;
i=2;
while (rpm_mot_a(i-1)<rpm_mot_v_base)
v_ms(i-1)=(((rpm_mot_a(i-1)/r_tr_mecc)/r_tr_ruo)/3.6);
139
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K.*(v_ms(i1)).^2]-[0.5*Rho_aria.*(v_ms(i-1)).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*v_ms(i-1).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_a(i-1)=((((F_pen+F_rot+F_aer).*v_ms(i1))/1000)/eta_tr_mecc);
rpm_mot_a(i)=rpm_mot_a(i-1)+1;
i=i+1;
end
rpm=0:1:215;
%DATO DA REPERIRE IN din_long.m (v_base-1)
plot(rpm,pot_vel_avanz_a,'*k')
rpm=216:1:663;
plot(rpm,pot_vel_avanz_mot_max,'*k')
plot(rpm_mot_v_base,pot_vel_avanz_mot_max,'o')
eta_m=0.85;
%rendimento dei propulsori
rpm_mot_a(1)=0;
i=2;
while(rpm_mot_a(i-1)<rpm_mot_v_base)
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v_ms(i1)).^2]-[0.5*Rho_aria.*(v_ms(i-1)).^2*S*C_z*f_0]];
pot_morsetti_motore(i-1)=(((((F_pen+F_rot+F_aer).*v_ms(i1))/1000)/eta_tr_mecc)/eta_m);
i=i+1;
end
pot_morsetti_motore_max=(pot_vel_avanz_mot_max/eta_m);
figure(2)
hold on;
axis([0 700 0 20])
grid on;
ylabel('Potenza [kW]');
title('POTENZA AI MORSETTI DEI MOTORI (PENDENZA 6 [deg])');
rpm=0:1:215;
plot(rpm,pot_morsetti_motore,'*k')
rpm=216:1:663;
plot(rpm,pot_morsetti_motore_max,'*k')
eta_d=0.975;
%rendimento del convertitore
rpm_mot_a(1)=0;
i=2;
while(rpm_mot_a(i-1)<rpm_mot_v_base)
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v_ms(i1)).^2]-[0.5*Rho_aria.*(v_ms(i-1)).^2*S*C_z*f_0]];
pot_morsetti_conv(i-1)=((((((F_pen+F_rot+F_aer).*v_ms(i1))/1000)/eta_tr_mecc)/eta_m)/eta_d);
i=i+1;
end
pot_morsetti_conv_max=((pot_vel_avanz_mot_max/eta_m)/eta_d);
figure(3)
hold on;
axis([0 700 0 20])
140
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
grid on;
title('POTENZA AI MORSETTI DEL CONVERTITORE (PENDENZA 6 [deg])');
rpm=0:1:215;
plot(rpm,pot_morsetti_conv,'*k')
rpm=216:1:663;
plot(rpm,pot_morsetti_conv_max,'*k')
disp([' '])
disp([' '])
disp(['POTENZA'])
disp(['Potenza ai morsetti del convertitore= '
num2str(pot_morsetti_conv_max,'%.2f') ' [kW]'])
disp(['Potenza ai morsetti del motore= '
num2str(pot_morsetti_motore_max,'%.2f') ' [kW]'])
disp(['Potenza all''asse motore= '
num2str(pot_vel_avanz_mot_max,'%.2f') ' [kW]'])
141
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice E
power_trasm.m
clear
clc
format long
f0=0.013;
v=[0:0.01:25];
v_1=[0:0.01:25];
v_2=[0:0.01:25];
rho_aria=1.2258;
Cx=0.32;
Cz=-0.21;
S=3.8;
K=6.5e-6;
m=1638;
g=9.81;
alpha=6;
c1=1.1;
c2=0.006;
c3=0.8;
c4=0.008;
b=1.5;
a=1.2;
l=2.7;
hg=0.5;
%velocità della vettura espressa in [m/s]
%densità dell'aria espressa in [kg/m^3]
%coefficiente
%massa della vettura [kg]
%inclinazione stradale [deg]
%parametro tecnico di aderenza [s/m]
%parametro geometrico
% Potenza max trasmissibile dalle ruote al terreno[kW]
P_max1=([m*g*cos(alpha*pi/180)*c1*(v_1)][0.5*rho_aria*(v_1).^3*S*Cz*c1][m*g*cos(alpha*pi/180)*c2*(v_1).^2]+[0.5*rho_aria*(v_1).^4*S*Cz*c2])/1
000;
plot(v_1,P_max1,'*b');
hold on
grid on
P_max2=([m*g*cos(alpha*pi/180)*c3*(v_2)][0.5*rho_aria*(v_2).^3*S*Cz*c3][m*g*cos(alpha*pi/180)*c4*(v_2).^2]+[0.5*rho_aria*(v_2).^4*S*Cz*c4])/1
000;
plot(v_2,P_max2,'*g');
% Potenza necessaria a vincere la resistenza aerodinamica [kW]
Pa=0.5*Cx*S*rho_aria*(v).^3/1000;
Pa_v=0.5*Cx*S*rho_aria*(80/3.6).^3/1000;
% Potenza necessaria a vincere la pendenza [kW]
Ps=m*g*sin(alpha*pi/180)*(v)/1000;
Ps_v=m*g*sin(alpha*pi/180)*(80*1000/3600)/1000;
% Potenza necessaria a vincere la resistenza al rotolamento [kW]
Pr=[[m*g*cos(alpha*pi/180)*f0*(v)/1000]+[m*g*cos(alpha*pi/180)*K*(v).^
3/1000]-[0.5*rho_aria*(v).^3*S*Cz*f0/1000]];
Pr_v=[[m*g*cos(alpha*pi/180)*f0*(80*1000/3600)/1000]+[m*g*cos(alpha*pi
/180)*K*(80*1000/3600).^3/1000][0.5*rho_aria*(80*1000/3600).^3*S*Cz*f0/1000]];
% Potenza totale
Pt=Pa+Ps+Pr;
Pt_v=Pa_v+Ps_v+Pr_v;
plot (v,Pt,'*r');
142
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
title('POTENZA TRASMISSIBILE PER UNA PENDENZA DI 6 [deg]');
xlabel('Velocità della vettura [m/s]');
legend('Potenza trasmissibile a terra con asfalto asciutto','Potenza
trasmissibile a terra con asfalto bagnato','Potenza necessaria a
muovere il carico');
143
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice F
torque_hub.m
clear
clc
format long
M_tot=1638;
g=9.81;
alfa_p_deg=6;
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
%sezione frontale [m^3]
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
%coefficiente
f_0=0.013;
%coefficiente
l_can=225;
%larghezza canale dello pneumatico [mm]
h_sp=35;
%altezza spalla dello pneumatico [%]
d_ce=19;
%diametro cerchio dello pneumatico [inch]
eta_tr=1;
r_tr_mecc=1;
%rapporto di trasmissione meccanico
v_max_kmh=80;
v_max_ms=v_max_kmh/3.6;
v_ms=0.1:0.01:22.3;
v_kmh=v_ms*3.6;
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v_ms).^2][0.5*Rho_aria.*(v_ms).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*v_ms.^2*S*C_x;
pot_vel_avanz=((((F_pen+F_rot+F_aer).*v_ms)/1000)/eta_tr);
pot_pen=(((F_pen*v_ms)/1000)/eta_tr);
pot_rot_aer=((((F_rot+F_aer).*v_ms)/1000)/eta_tr);
r_tr_ruo=100/6/pi/(((l_can*h_sp)/50000)+(d_ce*0.0254));
rpm_ruo=v_kmh*r_tr_ruo;
rpm_mot=rpm_ruo*r_tr_mecc;
c_mot_avanz=rdivide((pot_vel_avanz*1000),(rpm_mot)*(2*pi/60));
c_mot_pen=rdivide((pot_pen*1000),(rpm_mot)*(2*pi/60));
c_mot_rot_aer=rdivide((pot_rot_aer*1000),(rpm_mot)*(2*pi/60));
v_base_ms=7.250;
%DATO DA REPERIRE IN graph_res_power.m
v_base_kmh=v_base_ms*3.6;
rpm_ruo_v_base=v_base_kmh*r_tr_ruo;
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v_base_ms).^2
]-[0.5*Rho_aria.*(v_base_ms).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*v_base_ms.^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_v_base=((((F_pen+F_rot+F_aer).*v_base_ms)/1000)/eta_tr);
c_mot_v_base=((pot_vel_avanz_v_base*1000)/((rpm_mot_v_base)*(2*pi/60))
);
vel_max_kmh=80;
vel_max_ms=v_max_kmh/3.6;
rpm_ruo_v_max=vel_max_kmh*r_tr_ruo;
rpm_mot_v_max=rpm_ruo_v_max*r_tr_mecc;
F_pen=M_tot*g*sin(0);
F_rot=[[M_tot*g*cos(0)*f_0]+[M_tot*g*cos(0)*K*(vel_max_ms).^2][0.5*Rho_aria.*(vel_max_ms).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*vel_max_ms.^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_v_max=((((F_pen+F_rot+F_aer).*vel_max_ms)/1000)/eta_tr);
c_mot_v_max=((pot_vel_avanz_v_max*1000)/((rpm_mot_v_max)*(2*pi/60)));
144
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
figure(1)
hold on;
plot(rpm_mot,c_mot_rot_aer,'*g',rpm_mot,c_mot_pen,'*r',rpm_mot,c_mot_a
vanz,'*b',rpm_mot_v_base,c_mot_v_base,'ko',rpm_mot_v_max,c_mot_v_max,'
mo')
axis([0 700 0 900])
grid on;
xlabel('Velocità della ruota [rpm]')
ylabel('Coppia all''asse motore [Nm]')
title('COPPIA ALL''ASSE MOTORE PER UNA PENDENZA DI 6 [deg]');
legend('Coppia per vincere la res. aerodinamica e al
rotolamento','Coppia per vincere la pendenza','Coppia totale all''asse
motore');
rpm(1)=rpm_mot_v_base;
i=2;
while abs(rpm(i-1)-663)>1
c_mot_alfa(i-1)=((pot_vel_avanz_v_base*1000)/((rpm(i1))*(2*pi/60)));
rpm(i)=rpm(i-1)+1;
i=i+1;
end
rpm=0:1:rpm_mot_v_base;
plot(rpm,c_mot_v_base,'*k')
rpm=rpm_mot_v_base:1:662;
plot(rpm,c_mot_alfa,'*k')
disp([' '])
disp([' '])
disp(['POTENZA'])
disp(['pot_vel_avanz_max= ' num2str(pot_vel_avanz_v_max,'%.3f') '
[kW]'])
disp([' '])
disp([' '])
disp(['COPPIA'])
disp(['Coppia massima del motore a rotore bloccato= '
num2str(c_mot_v_base,'%.2f') ' [Nm]'])
disp(['Coppia richiesta dalla pendenza= ' num2str(c_mot_pen(1),'%.2f')
' [Nm]'])
145
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice G
power_rec.m
clear
clc
format long
M_tot=1638;
g=9.81;
alfa_p_deg=6;
alfa_p=alfa_p_deg*pi/180;%pendenza massima [rad]
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
%coefficiente
f_0=0.013;
%coefficiente
%calcolo della potenza recuperata
v=0:0.01:55.55;
F_pen=(-(M_tot*g*sin(alfa_p)));
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(v).^2][0.5*Rho_aria.*(v).^2*S*C_z*f_0]];
F_pen_50kmh=(-(M_tot*g*sin(alfa_p)));
F_rot_50kmh=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(50/3.6)
^2]-[0.5*Rho_aria.*(50/3.6)^2*S*C_z*f_0]];
F_aer_50kmh=0.5*Rho_aria*(50/3.6)^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_50kmh=(((F_pen_50kmh+F_rot_50kmh+F_aer_50kmh)*(50/3.6))/
1000)
pot_vel_avanz=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v)/1000);
pot_pen=((F_pen*v)/1000);
pot_rot_aer=(((F_rot+F_aer).*v)/1000);
figure(1)
x=0;
v_1=22.222;
y_1=-23.5:0.01:0;
plot(v,pot_rot_aer,'*g',v,pot_vel_avanz,'*b',v,pot_pen,'*r',v,x,'*y',v
_1,y_1,'c')
axis([0 55.55 -30 30]);
grid on;
title('POTENZA ALLA RUOTA PER UNA PENDENZA DI -6 [deg]')
legend('Potenza per la res. aerodinamica e di rotolamento','Potenza
totale richiesta dal veicolo','Potenza per la pendenza','Linea dello
zero');
figure(2)
axis([0 55.55 -25 5]);
grid on;
hold on;
pot_vel_avanz_ruo(1)=0;
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(0.01).^2][0.5*Rho_aria.*(0.01).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*(0.01).^2*S*C_x;
146
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
pot_vel_avanz_ruo(2)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*0.01)/1000);
i=3;
v(3)=0.02;
while (pot_vel_avanz_ruo(i-1)<0)
F_rot=[[M_tot*g*cos(alfa_p)*f_0]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*v(i).^2][0.5*Rho_aria.*v(i).^2*S*C_z*f_0]];
F_aer=0.5*Rho_aria.*v(i).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_ruo(i)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v(i))/1000);
i=i+1;
v(i)=v(i-1)+0.01;
end
v_1=22.222;
y_1=-23.5:0.01:0;
vel=0:0.01:v(i-1);
plot(vel,pot_vel_avanz_ruo,'*b',v,x,'*y',v_1,y_1,'c')
vel=v(i):0.01:55.55;
pot_vel_avanz_ruo_a=0;
plot(vel,pot_vel_avanz_ruo_a,'*b')
title('POTENZA RECUPERABILE ALLA RUOTA (PENDENZA -6 [deg])')
legend('Potenza alla ruota','Linea dello zero');
figure(3)
axis([0 55.55 -25 5]);
grid on;
hold on;
pot_vel_avanz_ruo(1)=0;
F_aer=0.5*Rho_aria.*(0.01).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_ruo(2)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*0.01)/1000);
i=3;
v(3)=0.02;
while (pot_vel_avanz_ruo(i-1)<0)
pot_vel_avanz_ruo(i)=(((F_pen+F_rot+F_aer).*v(i))/1000);
i=i+1;
v(i)=v(i-1)+0.01;
end
vel=0:0.01:v(i-1);
vel=v(i):0.01:55.55;
pot_vel_avanz_ruo_b=0;
eta_tr=1;
pot_vel_avanz_asse(1)=0;
F_aer=0.5*Rho_aria.*(0.01).^2*S*C_x;
pot_vel_avanz_asse(2)=((((F_pen+F_rot+F_aer).*0.01)*eta_tr)/1000);
i=3;
v(3)=0.02;
while (pot_vel_avanz_asse(i-1)<0)
147
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
pot_vel_avanz_asse(i)=((((F_pen+F_rot+F_aer).*v(i))*eta_tr)/1000);
i=i+1;
v(i)=v(i-1)+0.01;
end
v_1=22.222;
y_1=-23.5:0.01:0;
vel=0:0.01:v(i-1);
plot(vel,pot_vel_avanz_asse,'*b',v,x,'*y',v_1,y_1,'c')
vel=v(i):0.01:55.55;
pot_vel_avanz_asse_a=0;
plot(vel,pot_vel_avanz_asse_a,'*b')
title('POTENZA RECUPERABILE EFFETTIVA (PENDENZA -6 [deg])')
legend('Potenza all''asse motore','Linea dello zero');
148
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice H
urban_cycle
clear
clc
format long
M_tot=1638;
g=9.81;
alfa_p_deg=0;
alfa_p=alfa_p_deg*pi/180;%pendenza massima [rad]
Rho_aria=1.2258;
C_x=0.32;
S=3.8;
C_z=-0.21;
K=6.5e-6;
%coefficiente
f_0=0.013;
%coefficiente
t_mant_1=6.1;
t_mant_2=16.3;
t_mant_3=12.2;
t_mant_4=12.2;
%tempo
%tempo
%tempo
%tempo
a
a
a
a
velocità
velocità
velocità
velocità
v_max_km_1
v_max_km_2
v_max_km_3
v_max_km_2
t_acc_15=6.1;
t_acc_30=16.3;
t_acc_50=24.4;
t_dec_50_30=12.2;
t_dec_30_0=12.2;
%tempo
%tempo
%tempo
%tempo
%tempo
per
per
per
per
per
v_max_km=80;
v_max_ms=v_max_km/3.6;
coeff=3;
%velocità max [km/h]
%velocità [m/s]
%coefficiente
accellerare
accellerare
accellerare
decellerare
decellerare
[s]
[s]
[s]
[s]
fino a 15 [km/h]
fino a 30 [km/h]
fino a 50 [km/h]
da 50 a 30 [km/h]
da 30 a 0 [km/h]
v_max_km_1=15;
%velocità 1 [km/h]
v_max_ms_1=v_max_km_1/3.6;%velocità [m/s]
coeff_1=5.25;
%coefficiente 1
v_max_km_2=30;
%velocità 2 [km/h]
coeff_2=3.72;
%coefficiente 2
v_max_km_3=50;
%velocità 3 [km/h]
coeff_3=3.72;
%coefficiente 3
eta_sist_rec=0.3;
dell'energia
eta_m=0.85;
eta_d=0.975;
%rendimento del sistema di recupero
cons_prius=25;
cons_scenic=13.7;
cons_passat=13.3;
%consumo dichiarato dalla prius [km/l]
%consumo dichiarato dalla scenic [km/l]
%consumo dichiarato dalla passat [km/l]
costo_diesel=1.1;
costo_benz=1.2;
costo_en_el=0.12;
%costo di un litro di gasolio [€/l]
%costo di un litro di benzina [€/l]
%costo di un kWh di energia [€/kWh]
%rendimento dei motori
%rendimento del convertitore
%parametri per raggiungere la velocità massima
F_pen_v_max_no_pend=M_tot*g*sin(alfa_p);
149
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
F_rot_v_max_no_pend=[M_tot*g*f_0*cos(alfa_p)]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K*(
v_max_ms)^2]-[0.5*Rho_aria*(v_max_ms)^2*S*C_z*f_0];
F_aer_v_max_no_pend=0.5*Rho_aria*(v_max_ms)^2*S*C_x;
F_tot_v_max_no_pend=F_pen_v_max_no_pend+F_rot_v_max_no_pend+F_aer_v_ma
x_no_pend;
P_tot_v_max_no_pend=coeff*F_tot_v_max_no_pend*(v_max_ms)/1000;
A=0.5*S*Rho_aria*C_x*coeff;
B=M_tot*g*f_0*coeff;
v_1=0;
v_2=v_max_ms;
t=(M_tot/A)*[[(1/((B/A)^(1/2)))*atan(v_2/((B/A)^(1/2)))][(1/((B/A)^(1/2)))*atan(v_1/((B/A)^(1/2)))]];
E_spesa=P_tot_v_max_no_pend*t/3600;
%parametri per raggiungere i 15 [km/h] in 6.1 [s]
F_pen_v_max_no_pend_1=M_tot*g*sin(alfa_p);
F_rot_v_max_no_pend_1=[M_tot*g*f_0*cos(alfa_p)]+[M_tot*g*cos(alfa_p)*K
*(v_max_ms_1)^2]-[0.5*Rho_aria*(v_max_ms_1)^2*S*C_z*f_0];
F_aer_v_max_no_pend_1=0.5*Rho_aria*(v_max_ms_1)^2*S*C_x;
F_tot_v_max_no_pend_1=F_pen_v_max_no_pend_1+F_rot_v_max_no_pend_1+F_ae
r_v_max_no_pend_1;
P_tot_v_max_no_pend_1=coeff_1*F_tot_v_max_no_pend_1*(v_max_ms_1)/1000;
P_tot_v_max_no_pend_mant_1=F_tot_v_max_no_pend_1*(v_max_ms_1)/1000;
E_spesa_mant_1=P_tot_v_max_no_pend_mant_1*t_mant_1/3600;
A_1=0.5*S*Rho_aria*C_x*coeff_1;
B_1=M_tot*g*f_0*coeff_1;
v_1_1=0;
v_2_1=v_max_ms_1;
t_1=(M_tot/A_1)*[[(1/((B_1/A_1)^(1/2)))*atan(v_2_1/((B_1/A_1)^(1/2)))]
-[(1/((B_1/A_1)^(1/2)))*atan(v_1_1/((B_1/A_1)^(1/2)))]];
E_spesa_1=P_tot_v_max_no_pend_1*t_1/3600;
dist_perc_1=(v_max_ms_1*(t_mant_1+t_acc_15));
r_v_max_no_pend_2;
E_spesa_mant_2=P_tot_v_max_no_pend_mant_2*(t_mant_2+t_mant_4)/3600;
v_1_2=0;
v_2_2=v_max_ms_2;
-[(1/((B_2/A_2)^(1/2)))*atan(v_1_2/((B_2/A_2)^(1/2)))]];
dist_perc_2=(v_max_ms_2*(t_mant_2+t_acc_30));
r_v_max_no_pend_3;
150
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
E_spesa_mant_3=P_tot_v_max_no_pend_mant_3*t_mant_3/3600;
v_1_3=0;
v_2_3=v_max_ms_3;
-[(1/((B_3/A_3)^(1/2)))*atan(v_1_3/((B_3/A_3)^(1/2)))]];
dist_perc_3=(v_max_ms_3*(t_acc_50/2+t_mant_3))+(((v_max_ms_2+v_max_ms_
3)*t_dec_50_30)/2)+(v_max_ms_2*t_mant_4)+(v_max_ms_2/2*t_dec_30_0);
%energia spesa in totale alla ruota
E_spesa_tot=(E_spesa_1+E_spesa_mant_1+E_spesa_2+E_spesa_mant_2+E_spesa
_3+E_spesa_mant_3);
%energia spesa in totale ai morsetti del convertitore
E_spesa_tot_mors_conv=E_spesa_tot/(eta_m*eta_d);
%energia recuperata in decelerazione da 15 [km/h]
E_cin_1=(M_tot*0.5*((v_max_ms_1)^2))/3600000;
E_cin_2=(M_tot*0.5*((v_max_ms_2)^2))/3600000;
E_cin_3=(M_tot*0.5*((v_max_ms_3)^2))/3600000;
%energia recuperata in totale
E_rec_tot=eta_sist_rec*(E_cin_1+E_cin_2+E_cin_3);
%energia effettivamente spesa
E_spesa_eff=E_spesa_tot_mors_conv-E_rec_tot;
%distanza percorsa in tutto il ciclo
dist_tot_perc=dist_perc_1+dist_perc_2+dist_perc_3;
%consumo in litri e spesa per percorrere il ciclo urbano
carb_speso_prius=dist_tot_perc/(cons_prius*1000);
spesa_prius=carb_speso_prius*costo_benz;
carb_speso_scenic=dist_tot_perc/(cons_scenic*1000);
spesa_scenic=carb_speso_scenic*costo_diesel;
carb_speso_passat=dist_tot_perc/(cons_passat*1000);
spesa_passat=carb_speso_passat*costo_diesel;
spesa_AmbienTAXI=E_spesa_eff*costo_en_el;
disp([' '])
disp(['Stima delle prestazioni generali di AmbienTAXI'])
disp(['Velocità massima raggiunta = ' num2str(v_max_km,'%.0f') '
[km/h]'])
disp(['Tempo impiegato per raggiungerla = ' num2str(t,'%.1f') ' [s]'])
disp(['Costante moltiplicativa = ' num2str(coeff,'%.2f')])
disp(['Potenza spesa = ' num2str(P_tot_v_max_no_pend,'%.2f') ' [kW]'])
disp(['Energia spesa durante la fase di accelerazione = '
num2str(E_spesa,'%.5f') ' [kWh]'])
disp([' '])
disp(['Stima della prima accelerazione'])
disp(['Velocità raggiunta = ' num2str(v_max_km_1,'%.0f') ' [km/h]'])
151
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
disp(['Tempo impiegato per raggiungerla = ' num2str(t_1,'%.1f') '
[s]'])
disp(['Costante moltiplicativa = ' num2str(coeff_1,'%.2f')])
disp(['Potenza spesa = ' num2str(P_tot_v_max_no_pend_1,'%.2f') '
[kW]'])
num2str(E_spesa_1,'%.5f') ' [kWh]'])
disp(['Energia spesa per mantenere la velocità = '
num2str(E_spesa_mant_1,'%.5f') ' [kWh]'])
disp(['Distanza percorsa in tale frangente = '
num2str(dist_perc_1,'%.2f') ' [m]'])
disp([' '])
disp(['Stima della seconda accelerazione'])
[s]'])
[kW]'])
disp([' '])
disp(['Stima della terza accelerazione'])
[s]'])
[kW]'])
disp([' '])
disp(['Energia erogata durante il ciclo urbano = '
num2str(E_spesa_tot_mors_conv,'%.5f') ' [kWh]'])
disp(['Energia recuperata durante il ciclo urbano = '
num2str(E_rec_tot,'%.5f') ' [kWh]'])
disp(['Energia effettivamente spesa durante il ciclo urbano = '
num2str(E_spesa_eff,'%.5f') ' [kWh]'])
disp(['Distanza totale percorsa durante il ciclo urbano = '
num2str(dist_tot_perc,'%.2f') ' [m]'])
disp([' '])
disp(['Spesa carburante Prius = ' num2str(spesa_prius,'%.4f') ' [€]'])
disp(['Spesa carburante Scenic = ' num2str(spesa_scenic,'%.4f') '
[€]'])
disp(['Spesa carburante Passat = ' num2str(spesa_passat,'%.4f') '
[€]'])
disp(['Spesa carburante AmbienTAXI = '
num2str(spesa_AmbienTAXI,'%.4f') ' [€]'])
152
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice I
Datasheet celle SAFT Li-ion VL 37570
153
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
154
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice L
datasheet celle KOKAM Li-poly SLPB 68106100
155
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
156
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
157
Appendice
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
appendice M
datasheet celle EEMB Battery Li-ion 18650
158
Copyright e diritti d’autore
________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ___ ________ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ ______ _____
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