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Veicoli Ibridi Elettrici

A.Boyali (*) - C.Pianese (**) - M.Sorrentino (**)
(*) Istanbul Technical University - (**) DIMEC, Università di Salerno

Sommario

Questa sezione spiega la definizione di termini ibridi e veicoli elettrici ibridi, perché abbiamo bisogno di questo tipo di tecnologia, una breve storia, l’applicazione di veicoli ibridi elettrici attuali e la loro architettura.

Perché Veicoli Elettrici Ibridi

Prima di iniziare, noi dovremmo sapere che cosa significa il termine ibrido. Il termine ibrido può essere usato riferito all’uso di due o più fonti di potenza che operano all’interno di ogni tipo di sistema. Secondo la terminologia veicolo ibrido elettrico, significa motorizzare un veicolo usando due o più fonti di potenza come un motore elettrico, un motore a combustione interna o ad energia solare.

La popolazione nel mondo sta aumentando sempre più. Questo quindi porterà ad un aumento delle richieste di mobilità della nostra popolazione. D’altra parte le fonti naturali stanno raggiungendo un punto critico dovuto all’inquinamento e agli effetti dannosi sulla natura. Questo è perché i veicoli attuali sono per la maggior parte spinti da motori a combustione interna che utilizzano carburanti fossili. Il contributo dei veicoli all’inquinamento dell’aria e al surriscaldamento della terra dovuto all’emissione del monossido di carbonio è molto alto. Per questo motivo scienziati e ricercatori stanno cercando di trovare nuove fonti di energia per limitare i danni delle emissioni di gas di questi veicoli.

Figura 1. Global warming and effects

(Fonte: www.augustachronicle.com )

Ci sono fonti di energia alternative come l’idrogeno e l’elettricità. Ma le infrastrutture non sono ancora pronte per poter utilizzare al meglio queste fonti che non possono competere con la vasta gamma disponibile di combustibili fossili. Una soluzione intermedia è quella richiesta: il veicolo ibrido.

Breve storia dei Veicoli Ibridi Elettrici

Sebbene la storia dei veicoli ibridi abbia inizio a partire dal diciassettesimo secolo, il primo veicolo elettrico ibrido prodotto in massa, la TOYOTA Prius, fu introdotta nel 1997 sul mercato giapponese. Dopo questo primo passo della Toyota, l’Honda introdusse il modello Insight nel 2000.

Come funziona un Veicolo Ibrido Elettrico

I veicoli ibridi elettrici usano due propulsori: un motore elettrico e un motore a combustione interna. Durante il movimento queste due fonti di potenza intervengono di volta in volta per ottenere un basso consumo di carburante e un’emissione di gas a basso tasso di inquinamento. I principali elementi dei veicoli elettrici ibridi sono il motore elettrico, usato anche come generatore, le batterie e il dispositivo di innesto. (vedi fig. 2)

Figura 2. Componenti di Veicolo Ibrido Elettrico

(Fonte: http://www.fueleconomy.gov/feg/hybridtech.shtml)

Il motore elettrico prende energia dalle batterie come il motore a combustione interna usa il serbatoio per lo stesso scopo. I motori elettrici e a combustione interna sono collegati uno all’altro da dispositivi meccanici. L’energia della batteria è ricaricata in due modi durante la marcia dei veicoli ibridi elettrici. Uno di essi è il freno rigeneratore. L’altro è far funzionare il motore elettrico come un generatore per produrre elettricità durante l’operazione normale.

Ci sono principalmente due diverse versioni del motore ibrido elettrico quelli in serie e quelli in parallelo. .

Veicoli Ibridi Elettrici in serie

Nella configurazione del veicolo in serie, il motore a combustione interna viene usato solo per caricare le batterie. Non c’è connessione meccanica tra il motore elettrico e il motore a combustione interna. (fig.3) Quando la carica della batteria raggiunge il livello minimo consentito, il motore a combustione interna inizia a caricare la batteria. Quando la batteria è carica il motore a combustione interna si spegne. In questa configurazione il motore a combustione interna raggiunge la sua massima efficienza. Il principale svantaggio di questa configurazione è che ci sono delle perdite di energia durante la conversione di energia da energia del carburante ad elettricità e da elettricità a energia meccanica.

Figura 3. Configurazione di Veicolo Ibrido Elettrico in Serie

(Fonte: http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/ths2/what.html)

Veicoli Elettrici Ibridi Paralleli

Nella configurazione del veicolo parallelo sia il motore elettrico che il motore a combustione interna, muovono il veicolo secondo il modo più efficace. Il motore elettrico e il motore a combustione interna sono uniti parallelamente. Se la carica della batteria è bassa il motore elettrico agisce come un generatore per ricaricare la batteria.

Figura 4. Configurazione di Veicolo Ibrido Elettrico Parallelo

(Fonte: http://www.toyota.co.jp/en/tech/environment/ths2/what.html)

Energetic benefits of vehicle hybridization

The positive impact of vehicle hybridization on fuel economy is twofold. Fist of all, the presence of battery allows operating the engine mostly at its best efficiency. For the series structure, this is achieved by designing the powertrain in such a way that the engine works at one operating condition, corresponding to its max conversion efficiency. Therefore, the peaks in power demand are met by the batteries. For the parallel lay-out, the engine is better operated with respect to conventional vehicle, mainly because of two reasons: downsizing and opportunity of turning off the engine during urban driving, where ICE fuel economy is usually very low. In this case, the depletion in battery state of charge is compensated by turning on the engine in highway routes and demanding more power to recharge batteries.
The second important benefit relates to regenerative braking. Through such process, the negative torque required to slow down the vehicle is provided by the electric motor/generator, in both series and parallel structure. Therefore, the vehicle kinetic energy, which is generally lost in heat in conventional vehicles, can be recovered and restored in the battery pack. Regenerative braking significantly contributes to decreasing fuel economy. As an example, in urban driving (i.e. ECE driving schedule) the fuel savings obtained via regenerative braking reaches up to 15/20% with respect to same power-to-weight-ratio conventional cars.

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