IT202100014978A1 - Gruppo turbogas e gruppo motore per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico - Google Patents

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electric motor
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Roberto Capata
Daniele Luccioli
Federico Zullo
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Eng For Sustainable Development E S D Srl
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Description

GRUPPO TURBOGAS E GRUPPO MOTORE PER VEICOLO, VELIVOLO O NATANTE IBRIDO ELETTRICO
Campo dell?invenzione
La presente invenzione afferisce al settore dei veicoli, velivoli o natanti ibridi elettrici, in particolare di tipo serie. L?invenzione pu? essere implementata in un veicolo stradale (ad esempio un?automobile), navale o aereo (ad esempio un drone).
L?invenzione riguarda in particolare un gruppo turbogas e un gruppo motore per veicoli, velivoli e natanti ibridi elettrici, e un veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico equipaggiato con detto gruppo turbogas, in particolare con detto gruppo motore; il veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico essendo in particolare del tipo Range Extended Hybrid (R.E.H).
Stato della tecnica
Fino ad oggi la ricerca sui veicoli ibridi si ? focalizzata sull?utilizzo di un motore alternativo/continuo a combustione interna collegato a un generatore elettrico a bassa velocit? di rotazione. I motori alternativi a combustione interna offrono flessibilit? di funzionamento, oltre ad un?elevata potenza specifica (approssimativamente 1 kW/kg).
La tecnologia con motore alternativo presenta dei limiti, in particolare sotto l?aspetto dell?inquinamento, mentre la quella con motore continuo presenta ingombri ancora troppo elevati.
I veicoli equipaggiati solo con un motore elettrico, invece, hanno altri limiti, tra cui la limitata autonomia del pacco batterie.
E? quindi sentita l?esigenza di superare i limiti dello stato dell?arte.
Sommario dell?invenzione
Uno scopo della presente invenzione ? di realizzare un gruppo turbogas, in particolare per un gruppo motore per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico, che consenta di ridurre gli ingombri rispetto allo stato dell?arte.
In particolare, uno scopo della presente invenzione ? di realizzare un gruppo turbogas che consenta di realizzare un veicolo, velivolo o natante elettrico ibrido meno inquinante, che consenta di ottimizzare l?uso del pacco batteria e che consenta di ridurre gli ingombri rispetto allo stato dell?arte.
La presente invenzione raggiunge almeno uno dei suddetti scopi, ed altri scopi che saranno evidenti alla luce della presente descrizione, mediante gruppo turbogas comprendente
almeno una turbina a gas e un motore/generatore elettrico connessi fra loro;
in cui detta almeno una turbina a gas e detto motore/generatore elettrico sono calettati su uno stesso albero;
in cui detto motore/generatore elettrico ? atto a funzionare da motore elettrico per porre in rotazione detto albero per innescare detta almeno una turbina a gas; in cui detto motore/generatore elettrico ? configurato per porre in rotazione detto albero ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto, quando funziona da motore elettrico;
in particolare in cui detto motore/generatore elettrico ? atto a funzionare da generatore elettrico quando detto albero ? posto in rotazione da detta almeno una turbina a gas.
Vantaggiosamente, il gruppo turbogas secondo l?invenzione consente di ridurre l?ingombro e il peso rispetto allo stato dell?arte. Perci?, ? possibile utilizzare un serbatoio per il combustibile della turbina pi? capiente. La turbina pertanto pu? essere attiva, in particolare per ricaricare un accumulatore elettrico, per pi? tempo. Si pu? cos? realizzare un veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico con una migliore autonomia.
L?invenzione riguarda anche un gruppo motore, in particolare secondo la rivendicazione 5, comprendente
- un motore elettrico, in particolare per la trazione del veicolo o propulsione del velivolo o natante;
- un accumulatore elettrico, ad esempio un pacco batteria, atto ad alimentare il motore elettrico;
- un gruppo turbogas, in particolare secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, per la ricarica dell?accumulatore elettrico.
L?invenzione riguarda anche un veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico , in particolare secondo la rivendicazione 10; opzionalmente in cui detto veicolo ? un?automobile e/o opzionalmente in cui detto velivolo ? un drone.
Vantaggiosamente, la movimentazione del veicolo (o velivolo o natante), in particolare la trazione delle ruote o la propulsione, ? garantita dal motore elettrico, e il gruppo turbogas entra in funzione per ricaricare il pacco batteria quando il suo stato di carica scende al di sotto di un certo valore.
Tale soluzione offre numerosi vantaggi rispetto alla tecnologia con motori alternativi, tra cui: riduzione delle emissioni inquinanti, in particolare di circa il 70%; abbattimento dei consumi, in particolare di circa il 40%; e riduzione delle emissioni sonore.
La suddetta almeno una turbina a gas ? in particolare configurata per generare una potenza da 10 a 50 kW.
Inoltre, la suddetta almeno una turbina a gas ? in particolare configurata per porre in rotazione detto albero ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto.
La suddetta almeno una turbina a gas ?, in particolare, una microturbina.
Vantaggiosamente, il gruppo turbogas prevede un accoppiamento diretto tra detta almeno una turbina a gas e detto motore/generatore elettrico.
Il gruppo turbogas ? realizzato ad hoc, in particolare detta almeno una turbina a gas ? realizzata ad hoc, essendo in particolare di taglia non-commerciale in funzione della specifica applicazione, e detto motore/generatore elettrico ? realizzato ad hoc, in particolare per poter essere accoppiato direttamente con detta almeno una turbina a gas.
I vantaggi principali del gruppo turbogas sono, come gi? detto, l'ingombro ridotto del motore, grazie a velocit? di rotazione molto elevate, e il basso grado di emissioni nocive, grazie alla possibilit? di lavorare a punto fisso, con ottimizzazione del ciclo di lavoro. Il turbogas, di per s?, ? particolarmente adatto per la trazione, pur con alcune limitazioni, in particolare grazie alle seguenti caratteristiche:
- struttura semplice e compatta, con pesi e dimensioni ridotti, a parit? di potenza, rispetto ai motori alternativi ed agli attuali motori continui;
- limitato numero di parti mobili;
- moto puramente rotatorio, con annullamento dei fenomeni vibratori a bassa frequenza tipici dei moti alternativi;
- alta potenza specifica;
- rendimento elevato;
- elevata affidabilit?;
- messa in moto pressoch? istantanea;
- sistema di raffreddamento non necessario;
- lubrificazione richiesta solo per i cuscinetti;
- combustione continua, con conseguente basso livello di inquinamento: rispetto al motore alternativo le emissioni di CO, HC e di particolato sono bassissime, essendo la combustione a regime costante, come inferiori sono anche le emissioni di NOx, viste le minori temperature di picco raggiunte nella combustione;
- possibile funzionamento poli-combustibile: l'iniettore ? l?unico componente da adeguare alla situazione.
L'uso di un gruppo turbogas in cui detta almeno una turbina a gas ? accoppiata, in particolare direttamente accoppiata, a un motore/generatore elettrico ad alta velocit? costituisce una soluzione molto interessante e vantaggiosa per un veicolo ibrido, specialmente nella configurazione serie, visto che vengono, in tal modo, superati molti problemi di installazione e di funzionamento, in particolare relativi ad ai turbogas noti.
? possibile far funzionare un veicolo ibrido elettrico secondo l?invenzione in condizioni di trazione puramente elettrica nel ciclo urbano, mentre per spostamenti su autostrade e strade extraurbane la turbina a gas pu? svolgere il compito di mantenere in rotazione il motore/generatore, con funzionamento da generatore, per l'azionamento del motore elettrico e contemporaneamente per la ricarica del pacco batteria. La turbina opera in linea teorica a punto fisso, evitando indesiderate condizioni Off-Design che provocano caduta di rendimento ed aumento delle emissioni inquinanti.
Vantaggiosamente, l'utilizzo di una microturbina all'interno di un veicolo ibrido serie permette:
- riduzioni del consumo di combustibile;
- riduzioni di emissioni;
- aumento dell'autonomia del veicolo tra una ricarica e l'altra.
- alleggerimento del sistema, grazie ai pesi ridotti della turbina e eventuale possibilit? di incrementare il pacco batteria con conseguente ulteriore aumento del pacco batteria.
La microturbina ? caratterizzata da una elevata densit? di potenza e dimensioni ridotte, con conseguente elevata velocit? di rotazione. Come gi? detto, un aspetto particolarmente innovativo e vantaggioso risiede nell?accoppiamento diretto di detta almeno una turbina a gas con un motore/generatore capace di essere accoppiato direttamente a detta almeno una turbina a gas.
Il gruppo motore dell?invenzione, o in altri termini un veicolo ibrido elettrico equipaggiato con il gruppo motore, ? in particolare di tipo serie, ossia un veicolo la cui trazione ? affidata solamente ad un motore elettrico che viene alimentato da un pacco batteria.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative, ma non esclusive.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono forme di realizzazione particolari dell?invenzione.
Breve descrizione delle figure
Nella descrizione dell?invenzione si fa riferimento alle tavole di disegno allegate, che sono fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:
la Fig.1 illustra schematicamente un gruppo motore secondo l?invenzione;
la Fig.2 illustra schematicamente un gruppo turbogas secondo l?invenzione;
la Fig.3 illustra una vista prospettica di un gruppo turbogas secondo l?invenzione; la Fig. 4 illustra un grafico del rendimento di un gruppo turbogas in condizioni Off-Design e range (intervallo) operativo.
Gli stessi elementi, o gli elementi funzionalmente equivalenti, hanno lo stesso numero di riferimento.
Descrizione di forme di realizzazione esemplificative dell?invenzione
Con riferimento alle Figure, vengono descritte forme di realizzazione esemplificative, non limitative, di un gruppo turbogas 4 (GT) secondo l?invenzione per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico.
Il gruppo turbogas 4 comprende
almeno una turbina a gas 41 e un motore/generatore elettrico 42 (MGE) connessi fra loro;
in cui detta almeno una turbina a gas 41 e detto motore/generatore elettrico 42 sono calettati su uno stesso albero 43;
in cui detto motore/generatore elettrico 42 ? atto a funzionare da motore elettrico per porre in rotazione detto albero 43 per innescare detta almeno una turbina a gas 41;
in cui detto motore/generatore elettrico 42 ? configurato per porre in rotazione detto albero 43 ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto, quando funziona da motore elettrico;
in particolare in cui detto motore/generatore elettrico 42 ? atto a funzionare da generatore elettrico quando detto albero 43 ? posto in rotazione da detta almeno una turbina a gas 41.
Detta almeno una turbina a gas 41 ? in particolare configurata per generare una potenza da 10 a 50 kW.
Inoltre, detta almeno una turbina a gas 41 ? configurata per porre in rotazione detto albero 43 ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto.
L?invenzione riguarda anche un gruppo motore 1, in particolare per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico, comprendente:
- un motore elettrico 2 (ME), in particolare per la trazione del veicolo o propulsione del velivolo o natante;
- un accumulatore elettrico 3, ad esempio un pacco batteria 3, atto ad alimentare il motore elettrico 2;
- un gruppo turbogas 4 per la ricarica dell?accumulatore elettrico 3.
L?invenzione riguarda anche un veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico comprendente un gruppo turbogas 4, in particolare un gruppo motore 1.
A solo titolo esemplificativo e non limitativo, il veicolo ? un?automobile elettrica ibrida. In particolare, il veicolo ? configurato in modo che detto motore elettrico 2 del gruppo motore 1 ? connesso ad almeno due ruote 9 del veicolo, per la trazione di dette almeno due ruote 9. In un altro esempio non limitativo, il velivolo ? un drone.
Vantaggiosamente, detta almeno una turbina a gas 41 e detto motore/generatore elettrico 42 sono connessi ad uno stesso albero 43. Vantaggiosamente, il gruppo turbogas 4 prevede perci? un accoppiamento diretto tra detta almeno una turbina a gas 41 e detto motore/generatore elettrico 42.
In particolare, detto motore/generatore elettrico 42 ? atto a funzionare da motore elettrico per porre in rotazione detto albero 43 per innescare detta almeno una turbina a gas 41, finch? quest?ultima non ? in grado di autosostenersi; e detto motore/generatore elettrico 42 ? atto a funzionare da generatore elettrico quando detto albero 43 ? posto in rotazione da detta almeno una turbina a gas 41.
Pi? in dettaglio, nel gruppo turbogas 4 le parti rotanti vengono calettate sullo stesso albero 43, il quale viene appoggiato su cuscinetti ad alte prestazioni. Il motore/generatore elettrico 42, montato sullo stesso albero 43, ? preferibilmente di tipo asincrono trifase a magneti permanenti. Il motore/generatore elettrico 42 viene vantaggiosamente raffreddato dall?aria aspirata dal compressore del gruppo turbogas 4, eliminando l?usuale sistema di raffreddamento a liquido.
E? preferibilmente prevista un?unit? di controllo elettronico 5, o vehicle management unit, che ? configurata per gestire il gruppo turbogas 4.
In particolare, l?unit? di controllo elettronico 5 ? configurata per attivare il motore/generatore elettrico 42, facendolo funzionare da generatore, per innescare detta almeno una turbina a gas 41. Quando l?unit? di controllo elettronico 5 rileva che detta almeno una turbina a gas 41 ? innescata, fa funzionare il motore/generatore elettrico 42 da generatore.
Vantaggiosamente, detto motore/generatore elettrico 42 ? configurato per porre in rotazione detto albero 43 ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto, in particolare quando funziona da motore elettrico. Il motore/generatore elettrico 42 ? perci? ad alta velocit?.
Vantaggiosamente, detta almeno una turbina a gas 41 ? configurata per generare una potenza da 10 a 50 kW.
Detta almeno una turbina a gas ?, in particolare, una microturbina.
Pu? essere prevista una turbina a gas 41, in particolare una sola turbina a gas 41, oppure pu? essere prevista pi? di una turbina a gas 41, ad esempio due turbine a gas.
Quando ? prevista pi? di una turbina a gas, preferibilmente le turbine a gas sono configurate per generare, insieme, una potenza da 10 a 50 kW.
Quando ? prevista pi? di una turbina a gas, le turbine a gas sono connesse fra loro in serie, in particolare sono connesse a detto stesso albero 43.
Pu? anche essere previsto pi? di un gruppo turbogas 4, ad esempio due gruppi turbogas 4. In particolare, ciascun gruppo turbogas 4 ? provvisto di almeno una rispettiva turbina a gas 41 e di un rispettivo motore/generatore elettrico 42.
Preferibilmente, il gruppo turbogas 4 ? atto a fornire energia anche a detto motore elettrico 2, oltre che al pacco batteria 3.
A solo titolo esemplificativo e non limitativo, un gruppo turbogas 4 preferito ha un diametro D (Fig.3) di circa 200 mm; e una lunghezza L di circa 465 mm. Il peso del gruppo turbogas 4 ? ad esempio pari a circa 23 Kg.
L?unit? di controllo elettronico 5 ? configurata per gestire, in particolare decidere, quanta energia prodotta dal gruppo turbogas 4 viene indirizzata al pacco batteria 3 per ricaricarlo, e quanta energia prodotta dal gruppo turbogas 4 viene indirizzata al motore elettrico 2. Inoltre, l?unit? di controllo elettronico 5 ? configurata per controllare le operazioni di accensione e spegnimento del gruppo turbogas 4 secondo una logica adottata.
Preferibilmente, al fine di diminuire i consumi del gruppo turbogas 4, quest?ultimo ? provvisto di rigeneratore. Un gruppo turbogas rigenerato consente di ottenere una significativa riduzione del consumo di combustibile, e un rendimento nominale di ciclo pari al 40%.
Preferibilmente, il gruppo motore 1, o il veicolo equipaggiato col gruppo motore, ? provvisto di un dispositivo di ricarica da rete fissa (ad esempio mediante una colonnina di ricarica 8), utilizzabile quando il gruppo turbogas 4 non pu? ricaricare completamente il pacco batteria 3.
Il gruppo turbogas 4 ? preferibilmente connesso al pacco batteria 3 mediante un inverter 6 AC/DC; e preferibilmente detto gruppo turbogas 4 ? connesso a detto motore elettrico 2 mediante detto inverter 6.
Infatti, in uscita dal gruppo turbogas 4, o turbogeneratore, si hanno una tensione ed una frequenza variabili in AC. A valle del motore/generatore elettrico 42, l?inverter 6 provvede a convertire la corrente in DC, per la ricarica del pacco batteria 3 o per l?alimentazione del motore elettrico 2, che ? ad esempio un motore di trazione nel caso di un veicolo stradale.
Preferibilmente, il suddetto valore di soglia predeterminato dello stato di carica della batteria (SOC) ? dal 40% all?80 %, preferibilmente dal 42% all?80 %, ad esempio pari o circa pari al 42%.
Un valore del 40% consente di evitare il deterioramento della batteria, in particolare consente di evitare una diminuzione di capacit? della batteria nel tempo.
Un valore dell?80% consente di allungare la vita della batteria.
E? particolarmente preferibile che detto valore sia pari o circa pari al 42%, per garantire che il gruppo turbogas 4 venga accesso prima di scendere al di sotto del valore minimo SOC pari al 40%.
L?accumulatore elettrico 3 pu? essere ad esempio un pacco batteria 3, o un accumulatore elettrico di altro tipo, ad esempio un ultracondensatore.
Il pacco batteria 3, o batteria, in particolare, comprende una pluralit? di celle.
Preferibilmente, il pacco batteria 3, ? a litio-ferro-fosfato (LiFePO4).
Vantaggiosamente, questo tipo di batteria ? particolarmente adatto per i veicoli a trazione elettrica. Infatti, presenta un?elevata energia specifica per unit? di massa, una lunga durata, rapidit? di ricarica, affidabilit?, minimo ingombro, basso costo e richiede poca manutenzione.
Ad esempio, una batteria litio-ferro-fosfato particolarmente preferita ha le seguenti caratteristiche:
Massa modulo mmod = 19.1 kg;
Tensione modulo Vmod = 12.8 V;
Tensione cella Vcel = 3.2 V;
Potenza specifica Psp = 201 W/Kg
Energia specifica Esp = 67 Wh/Kg
Capacit? Batterie C = 100 Ah
Corrente massima Cmax = 450 A
In fase di progettazione, si ? considerato che, preferibilmente, per ciascuna cella della batteria 3, la tensione (E) ? pari a
E = 3.2 0.3 SOC, in fase di carica;
E = 2.9 0.3 SOC, in fase di scarica.
La corrente massima per la ricarica (Imax,in ), in particolare per la ricarica rapida, della batteria ? pari a
Imax,in = C (1 ? SOC)
con C = capacit? del pacco batteria installato.
Considerando di lavorare, preferibilmente, con corrente pari a quella della capacita della batteria (C), la potenza della batteria (P<BP,max,in>) risulta:
PBP,max,in = V?Imax,in
con V = ncel (3.2 0.3 SOC), dove ncel ? il numero di celle del pacco batteria.
Perci?:
PBP,max,in = ncel (3.2 0.3 SOC)? C1 (1 ? SOC)
Si evince che la potenza del pacco batteria 3 dipende dello stato di carica (SOC) del pacco batteria 3.
Il pacco batteria 3 serve sostanzialmente per accumulare potenza.
Il pacco batteria 3 pu? preferibilmente essere ricaricato in tre differenti modalit?: i) dal gruppo turbogas 4; ii) attraverso una ricarica esterna, nel caso fosse possibile ottenere energia elettrica da una stazione di ricarica 8; iii) dal motore elettrico 2, quando funziona da freno recuperando energia nella fase di decelerazione o frenata.
Preferibilmente, ? infatti previsto un dispositivo KERS (Kinetic Energy Recovery System, o sistema di recupero dell?energia cinetica).
Il dispositivo KERS ? un dispositivo elettromeccanico atto a recuperare parte dell'energia cinetica del veicolo durante la fase di frenata e a trasformarla in energia meccanica o elettrica, nuovamente disponibile per la trazione del veicolo o per l'alimentazione dei suoi dispositivi elettrici.
L?energia recuperata (Erec) ? definita come:
Erec =?KERS ?Ebreak
dove ?KERS ? il rendimento del dispositivo di recupero in frenata, e Ebreak ? l?energia disponibile in frenata.
Il motore elettrico 2 ? preferibilmente asincrono trifase, in particolare a induzione.
Questo tipo di motore ? particolarmente vantaggioso, in particolare rispetto a un motore elettrico di tipo corrente continua a collettore.
Alcuni dei vantaggi del motore elettrico asincrono trifase sono: minore dimensione, sopporta una maggior temperatura di esercizio, non prevede manutenzione, minore momento di inerzia, ottima robustezza meccanica, raggiunge elevata velocit?, non ha limite di potenza, sopporta un?elevata tensione, maggior rendimento.
Il motore elettrico 2 ha elevata coppia a basse velocit? che sviluppa nella partenza da fermo.
A solo titolo esemplificativo e non limitativo, per poter simulare il funzionamento di un veicolo ibrido equipaggiato con il gruppo motore 1, nel caso di un veicolo su gomma (ma con considerazioni analoghe per tutte le altre applicazioni) si necessita della conoscenza di un percorso stimato, al fine di calcolare la potenza richiesta dal sistema durante la missione. Il principio su cui si pu? basare la progettazione ? quello di calcolare la potenza del sistema di trazione con il percorso da percorrere di un dato ciclo, considerando (sempre nel caso di trasporto su gomma) la dinamica del veicolo ed il ciclo, ed uguagliarla sempre alla somma della potenza fornita dal pacco batteria 3 con/senza il gruppo turbogas 4. Per una migliore flessibilit? del sistema di trazione, ? stata considerata l?opzione di aggiungere un altro tipo di accumulatore ed ? stato anche considerato l?uso di due gruppi turbogas 4, i cui valori sono riportati col pedice GT1 e GT2, rispettivamente. Il suddetto accumulatore considerato ? un volano meccanico (ad esempio), collegato al motore/generatore 42; il suddetto accumulatore ha il compito di ricuperare energia in frenata o un picco di potenza eventualmente generata del gruppo turbogas 4 (o gruppi turbogas). Per la simulazione si terr? anche conto del grado di ibridizzazione (HD). Tale indice viene definito come il rapporto tra la potenza del gruppo turbogas 4 (o gruppi turbogas) installata e la potenza totale installata (che include la potenza della batteria 3, Pbatt):
L?ideale per un veicolo ibrido ? quello di ottenere un HD pari al 50%, o inferiore. E? stato assunto che ciascun gruppo turbogas 4 eroghi potenza tra il 70% e il 110% della sua potenza nominale (Pnom; POD in figura 4 indica la potenza off-design), perch? in quel range non presenta drastici cali del rendimento globale (Fig.4). Infatti il rendimento varia da 0.9 fino a 0.8. dopo tale intervallo il rendimento calerebbe drasticamente, rendendo svantaggioso il sistema.
Si ? anche assunto che, di conseguenza, ciascun gruppo turbogas 4 (turbogeneratore) fornir? potenza solo quando la richiesta ricade all?interno di tali condizioni operative, mentre al di fuori di questa fascia esso si mantenga in condizioni di auto sostentamento (idling), senza erogare potenza utile. L?accensione dei gruppi turbogas 4 viene gestita dalla logica di controllo ed in particolare sar? legata allo stato di carica (SOC) del pacco batteria 3. Quando il pacco batteria 3 si scarica fino ad un livello prestabilito (minimo), ciascun gruppo turbogas 4 viene messo in funzionamento. Il valore minimo fissato, come gi? detto, ? pari al 40%. Perci?, per garantire che ciascun gruppo turbogas 4 venga accesso prima di scendere al di sotto del minimo SOC, si sceglie, nella logica di controllo, di accendere i gruppi turbogas 4 quando il SOC ? pari al 42%. Si ? inoltre assunto che ciascun turbogas 4 lavori a numero di giri costante, in modo da poter trascurare gli effetti inerziali legati alla variazione di velocit? delle masse rotanti.
Il calcolo dei consumi dei gruppi turbogas 4 ? riportato di seguito.
Mediante interpolazione dei dati di rendimento di un gruppo turbogas 4 in condizioni Off-Design, nel range operativo compreso tra il 70% e il 110% della sua potenza nominale Pnom, si ottiene una funzione che lega la variazione di rendimento al variare della potenza:
Si ? assunto come carburante il metano (CH4) caratterizzato da un potere calorifico inferiore LHV CH4= 51000 kJ/kg = 14,16 kWh/kg e densit? ?CH4 = 0,585 kg/l. Dallo studio del ciclo termodinamico e per la configurazione assunta per il GT di interesse si ha un rendimento ?ciclo = 0.44, con il quale si ottiene un consumo specifico pari a:
Con questi dati si ottiene il consumo di carburante del veicolo, per una assegnata missione, nelle unit? di misura di maggior interesse.
Consumo specifico OD (Off-Design) [kg/kWh]
<per cui>
Con ?GEN=0,95 rendimento del gruppo turbogeneratore
Consumo totale [kg/missione]
oppure in forma discreta
Con ?Eciclo = energia totale necessaria per completare la missione.
Per la simulazione si assume che il motore elettrico 2 abbia un rendimento costante, ossia indipendente dal regime a cui ? sottoposto. La potenza istantanea che il motore elettrico 2 deve erogare viene calcolata mediante la:
Con Pwheels si indica la potenza alle ruote (indicate con il riferimento 9), avendo assunto ?trasm = 0,9 rendimento di trasmissione e ?mot = 0,9 rendimento del motore elettrico 2. In fase di decelerazione il motore elettrico 2 agisce da freno, recuperando una potenza pari a:
Avendo assunto ?brake = 0,8 rendimento di recupero in frenata.
Nella progettazione si possono utilizzare diversi tipi di logica.
Di seguito sono riportate due logiche A, B esemplificative.
Nelle due logiche scelte si ha che:
I due tipi di logica lavorano con la stessa potenza, per la trazione Pwheels e con la stessa dinamica del veicolo.
Di seguito vengono riportate le formule con le quali, in ogni istante, viene valutata la Pwheels:
Pwheels = C?
con
Dove Rrot, Raer, Rin e R? sono le resistenze di rotolamento, aerodinamico, d?inerzia e di pendenza del sistema.
La Potenza netta (Pnet) che il motore elettrico 2 deve fornire in fase di trazione, ? pari a:
<Nella simulazione si distingue tra:>
Il SOC, come detto prima, pu? variare dal 42% all? 80% a seconda della logica usata. Per evitare sovraccarichi durante la ricarica del SOC, si ? imposto che durante qualunque fase di frenata il gruppo turbogas (o i gruppi turbogas) smetta di erogare potenza. In questo modo si esclude che alla potenza recuperata dal motore elettrico 2 si aggiunga anche la potenza del gruppo turbogas generando una potenza totale tale da non poter essere assorbita dal sistema di accumulo (pacco batteria 3). Anche per garantire che la scarica del pacco batteria 3 non scenda sotto al minimo permesso, ? preferibile implementare nel codice la storia del pacco batteria. Nel caso il pacco batteria 3 abbia subito una scarica totale, qualunque sia la richiesta di potenza del sistema (anche nulla per veicolo fermo) questa verr? erogata dal gruppo turbogas in modo da garantire un livello di carica pari a SOCmax quando il pacco batteria sar? nuovamente chiamate ad erogare potenza.
Con Paux si indica la potenza, in particolare il surplus di potenza, deviata verso apparecchi utilizzatori del veicolo, denominati ausiliari.
La funzione degli ausiliari nella logica A e B ? quella di assorbire la potenza che le il pacco batteria 3 non ? in grado di immagazzinare durante la frenata. La logica verifica che questo accada. Cos?, la potenza assorbita sar? la prima a essere fornita alla trazione.
Nella logica A, quando ? prevista una turbina 41, in particolare di un gruppo turbogas 4 (GT1), si stabilisce quanto segue (righe Power check 0 e 1).
Logica di controllo turbina/e
Pgen indica la potenza richiesta alle ruote 9.
Nella logica B (righe Power check 2 e 3), quando sono previste due turbine 41, in particolare di un rispettivo gruppo turbogas 4 (GT1, GT2) di diversa potenza, il secondo gruppo turbogas GT2 (che ha dimensioni maggiori, e perci? maggiore potenza) viene acceso anche per potenze inferiori, inviando l?eccesso di potenza necessario alla trazione o alla ricarica delle batterie direttamente all?accumulatore ausiliario (volano).

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Gruppo turbogas (4) per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico, comprendente almeno una turbina a gas (41) e un motore/generatore elettrico (42) connessi fra loro;
in cui detta almeno una turbina a gas (41) e detto motore/generatore elettrico (42) sono calettati su uno stesso albero (43);
in cui detto motore/generatore elettrico (42) ? atto a funzionare da motore elettrico per porre in rotazione detto albero (43) per innescare detta almeno una turbina a gas (41);
in cui detto motore/generatore elettrico (42) ? configurato per porre in rotazione detto albero (43) ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto, quando funziona da motore elettrico.
2. Gruppo turbogas (4) secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore/generatore elettrico (42) ? atto a funzionare da generatore elettrico quando detto albero (43) ? posto in rotazione da detta almeno una turbina a gas (41).
3. Gruppo turbogas (4) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta almeno una turbina a gas (41) ? configurata per porre in rotazione detto albero (43) ad una velocit? da 150000 a 180000 giri al minuto.
4. Gruppo turbogas (4) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una turbina a gas (41) ? configurata per generare una potenza da 10 a 50 kW.
5. Gruppo motore (1) per veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico, comprendente: - un motore elettrico (2), in particolare per la trazione del veicolo o propulsione del velivolo o natante;
- un accumulatore elettrico (3), preferibilmente un pacco batteria (3), atto ad alimentare il motore elettrico (2);
- un gruppo turbogas (4) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, per la ricarica dell?accumulatore elettrico (3).
6. Gruppo motore (1) secondo la rivendicazione 5, comprendente un?unit? di controllo elettronico (5) configurata per attivare detto gruppo turbogas (4) quando lo stato di carica dell?accumulatore elettrico (3) ? al di sotto di un valore di soglia predeterminato.
7. Gruppo motore (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detto valore di soglia predeterminato ? dal 40% all?80%.
8. Gruppo motore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui detto gruppo turbogas (4) ? atto a fornire energia anche a detto motore elettrico (2).
9. Gruppo motore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui detto gruppo turbogas (4) ? connesso a detto accumulatore elettrico (3) mediante un inverter (6) AC/DC; preferibilmente in cui detto gruppo turbogas (4) ? connesso a detto motore elettrico (2) mediante detto inverter (6).
10. Veicolo, velivolo o natante ibrido elettrico comprendente un gruppo turbogas (4) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, o un gruppo motore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 9.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102009024773A1 (de) * 2009-06-10 2010-12-16 Daimler Ag Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug
DE102010047421A1 (de) * 2010-10-04 2012-04-05 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Strömungsmaschine

Patent Citations (2)

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