La propulsione ibrida nel settore del trasporto collettivo

INDICE 
 
INDICE 
 
RINGRAZIAMENTI ...........................................................................................................VII 
ELENCO DEI SIMBOLI................................................................................................... VIII 
ELENCO DEI PEDICI ...........................................................................................................X 
INDICE DELLE FIGURE.................................................................................................... XI 
INDICE DELLE TABELLE ............................................................................................XVII 
 
INTRODUZIONE ....................................................................................................................1 
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................7 
 
CAPITOLO PRIMO 
PIANIFICAZIONE E PROGRAMMAZIONE DI VEICOLI AMBIENTALMENTE 
EFFICIENTI.............................................................................................................................9 
1.1 SITUAZIONE E PROSPETTIVE..........................................................................................15 
1.1.1 Stato dell'arte...........................................................................................................15 
1.1.2 La normativa ...........................................................................................................17 
1.1.3 Gli scenari evolutivi ................................................................................................20 
1.1.4 Tecnologie veicolari ................................................................................................23 
1.1.5 L’impatto sul mercato..............................................................................................31 
1.1.6 Approfondimenti su tecnologie specifiche per il breve termine ..............................34 
1.1.6.1 Il metano...........................................................................................................34 
1.1.6.2 I veicoli ibridi "minimi" ...................................................................................37 
1.2 OPPORTUNITÀ E OPZIONI...............................................................................................39 
1.2.1 Raccomandazioni e relazioni con altre tematiche del PGT ....................................39 
1.2.1.1 Misure non tecniche per la piena utilizzazione delle tecnologie disponibili o in 
sviluppo. .......................................................................................................................40 
1.2.1.1.1 Assetto legislativo, normativo e regolamentare.................................................... 41 
1.2.1.1.2 Aspetti economico-finanziari ................................................................................ 41 
1.2.1.1.3 La leva fiscale ....................................................................................................... 42 
1.2.1.1.4 Le infrastrutture abilitanti .................................................................................... 42 
1.2.1.1.5 Informazione e formazione ................................................................................... 43 
 I

INDICE 
1.2.2 Raccomandazioni ....................................................................................................43 
1.2.2.1 Raccomandazione 1: Creare valore ..................................................................44 
1.2.2.2 Raccomandazione 2: Accelerare il rinnovo del parco......................................47 
1.2.2.3 Raccomandazione 3: Coinvolgere l’utente.......................................................50 
1.3 I PROVVEDIMENTI IMMEDIATI.......................................................................................52 
1.3.1 Il Programma Strategico Nazionale Veicoli (PSNV) ..............................................52 
1.3.1.1 PSNV – La ricerca di base................................................................................52 
1.3.1.2 PSNV – La ricerca industriale..........................................................................53 
1.3.1.3 PSNV – La progettazione.................................................................................53 
1.3.1.4 Benefici attesi ...................................................................................................53 
1.3.2 Il Programma Metano .............................................................................................54 
1.3.2.1 Benefici attesi ...................................................................................................54 
1.3.3 L’incentivazione al ricambio...................................................................................55 
1.3.3.1 Osservazioni .....................................................................................................57 
1.3.3.2 Benefici attesi ...................................................................................................57 
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................58 
 
CAPITOLO SECONDO 
VEICOLI A TRAZIONE IBRIDA .......................................................................................60 
2.1 INTRODUZIONE...............................................................................................................60 
2.1 CLASSIFICAZIONE DEI VEICOLI IBRIDI...........................................................................61 
2.1.1 Configurazione serie................................................................................................62 
2.1.2 Configurazione parallelo.........................................................................................65 
2.2 COMPONENTI DEI VEICOLI IBRIDI..................................................................................68 
2.2.1 Motore elettrico/elettronica di potenza ...................................................................69 
2.2.1.1 Motori in corrente continua ..............................................................................69 
2.2.1.2 Motori in corrente alternata ..............................................................................69 
2.2.2 Accumulatore di energia elettrica ...........................................................................70 
2.2.2.1 Batterie .............................................................................................................71 
2.2.2.2 Supercondensatori ............................................................................................72 
2.2.2.3 Accumulatori elettromeccanici.........................................................................73 
2.2.3 Unità di potenza ......................................................................................................74 
2.2.3.1 MCI...................................................................................................................74 
2.2.3.2 Motore Stirling .................................................................................................75 
 II

INDICE 
2.2.3.3 Turbine a gas ....................................................................................................76 
2.2.3.4 Celle a combustibile .........................................................................................76 
BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................78 
 
CAPITOLO TERZO 
MODELLO MATEMATICO PER LA SIMULAZIONE DI VEICOLI IBRIDI ............80 
3.1 INTRODUZIONE...............................................................................................................80 
3.2 MODALITÀ DI SIMULAZIONE..........................................................................................81 
3.3 DEFINIZIONE DEL PERCORSO.........................................................................................82 
3.4 MODELLO MATEMATICO DEL VEICOLO ........................................................................83 
3.5 MODELLO MATEMATICO DEL PROPULSORE .................................................................85 
3.5.1 Sottomodello della trasmissione..............................................................................86 
3.5.2 Sottomodello del motore elettrico ...........................................................................89 
3.5.3 Sottomodello dell’elettronica di potenza.................................................................91 
3.5.4 Sottomodello del sistema di controllo .....................................................................92 
3.5.5 Sottomodello delle batterie......................................................................................94 
3.5.6 Sottomodello dell’unità ausiliaria di potenza (APU)..............................................99 
3.6 DESCRIZIONE DEL PROGRAMMA .................................................................................100 
3.6.1 Acquisizione dei dati d’ingresso............................................................................100 
3.6.2 Calcolo della potenza richiesta al sistema di propulsione....................................103 
3.6.3 Calcolo delle prestazioni del sistema di propulsione............................................106 
BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................109 
 
CAPITOLO QUARTO 
SPECIFICHE DEL VEICOLO E SCELTA DEL PERCORSO .....................................111 
4.1 INTRODUZIONE.............................................................................................................111 
4.2 DEFINIZIONE DELLE SPECIFICHE DEL VEICOLO..........................................................113 
4.2.1 Specifiche riguardanti il veicolo complessivo.......................................................113 
4.2.2 Specifiche riguardanti i singoli componenti..........................................................116 
4.2.2.1 Trasmissione...................................................................................................117 
4.2.2.2 Motore elettrico ..............................................................................................119 
4.2.2.3 Elettronica di potenza .....................................................................................120 
4.2.2.4 Batterie ...........................................................................................................120 
4.2.2.5 Unità ausiliaria di potenza ..............................................................................124 
 III

INDICE 
4.3 SCELTA DEL PERCORSO PIÙ IMPEGNATIVO.................................................................125 
4.3.1 Profili di missione..................................................................................................125 
4.3.1.1 Percorso 1. (A-P-F-P-A).................................................................................126 
4.3.1.2 Percorso 2. (A-S-F-S-A).................................................................................129 
4.3.1.3 Percorso 3. (A-P-F-S-A).................................................................................132 
4.3.1.4 Percorso 4. (A-S-F-P-A).................................................................................135 
4.3.2 Confronto e scelta del percorso ............................................................................138 
4.3.3 Analisi dei sovraccarichi per il motore elettrico...................................................141 
4.3.3.1Scaling delle velocità.......................................................................................145 
BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................149 
 
CAPITOLO QUINTO 
SPECIFICHE PER IL DIMENSIONAMENTO DEL PROPULSORE E LOGICA DI 
CONTROLLO ......................................................................................................................150 
5.1 INTRODUZIONE.............................................................................................................150 
5.2 SPECIFICHE PER IL DIMENSIONAMENTO......................................................................151 
5.3 DISTRIBUZIONE DEI PESI E DIMENSIONAMENTO INIZIALE DEI COMPONENTI .............153 
5.3.1 Distribuzione dei pesi ............................................................................................153 
5.3.2 Dimensionamento iniziale dei componenti............................................................155 
5.4 LOGICA DI CONTROLLO................................................................................................157 
5.4.1 Possibili logiche di controllo per il caso in esame................................................160 
5.4.1.1 Accensione APU in base al SOC delle batterie..............................................161 
5.4.1.2 Accensione dell’APU in base al SOC e APU spento in ambiente urbano .....163 
5.4.1.3 Eliminazione dell’energia dissipata dall’APU ...............................................164 
5.4.2 Quadro riassuntivo delle logiche di controllo.......................................................165 
BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................166 
 
CAPITOLO SESTO 
SIMULAZIONI PER IL DIMENSIONAMENTO DEL VEICOLO ..............................167 
6.1 INTRODUZIONE.............................................................................................................167 
6.2 PARAMETRI FISSI E VARIABILI NELLE SIMULAZIONE .................................................168 
6.3 ANALISI DEI PARAMETRI E DESCRIZIONE DEI LIMITI OPERARIVI ...............................174 
6.3.1 Limiti operativi in fase di scarica..........................................................................174 
6.3.2 Limiti operativi in fase di carica ...........................................................................179 
 IV

INDICE 
6.3.3 Analisi delle energie dissipate...............................................................................181 
6.4 SIMULAZIONI CON LA LOGICA DI CONTROLLO SPENTO IN AMBIENTE URBANO.........183 
6.4.1 Logiche di controllo utilizzate ...............................................................................184 
6.4.1.1 Strategia di controllo sullo SOC, senza dissipazioni APU, spento in amb. 
urbano .........................................................................................................................185 
6.4.1.2 Strategia di controllo senza dissipazioni APU, spento in amb. urbano..........185 
6.4.2 Casi esaminati .......................................................................................................186 
6.4.2.1 Potenza motore termico=25 kW.....................................................................186 
6.4.2.1.1 Piombo-acido...................................................................................................... 187 
6.4.2.1.1.1 Numero passeggeri max =10→21 moduli in serie ...................................... 187 
6.4.2.1.1.2 Numero passeggeri max=11→19 moduli in serie ....................................... 192 
6.4.2.1.1.3 Numero di passeggeri max=12→16 moduli in serie ................................... 196 
6.4.2.1.2 Batterie Nichel-Cadmio ...................................................................................... 197 
6.4.2.1.2.1 Numero passeggeri max =10→8 moduli in serie ........................................ 197 
6.4.2.1.2.2 Numero passeggeri max=11→7 moduli in serie ......................................... 201 
6.4.2.1.2.3 Numero passeggeri max=12→6 moduli in serie ......................................... 205 
6.4.2.2 Potenza motore termico=35 kW.....................................................................209 
6.4.2.2.1 Piombo-acido...................................................................................................... 209 
6.4.2.2.1.1 Numero passeggeri max =10→21 moduli in serie ...................................... 210 
6.4.2.2.1.2 Numero passeggeri max=11→19 moduli in serie ....................................... 214 
6.4.2.2.1.3Numero di passeggeri max=12→16 moduli in serie .................................... 217 
6.4.2.2.2 Batterie Nichel-Cadmio ...................................................................................... 218 
6.4.2.2.2.1 Numero passeggeri max =10→8 moduli in serie ........................................ 219 
6.4.2.2.2.2 Numero passeggeri max=11→7 moduli in serie ......................................... 224 
6.4.2.2.2.3 Numero passeggeri max=12→6 moduli in serie ......................................... 228 
6.4.2.3 Potenza motore termico=45 kW.....................................................................232 
6.4.2.3.1 Piombo acido ...................................................................................................... 232 
6.4.2.3.1.1 Numero passeggeri max =10→21 moduli in serie ...................................... 233 
6.4.2.3.1.2 Numero passeggeri max=11→19 moduli in serie ....................................... 238 
6.4.2.3.1.3 Numero di passeggeri max=12→16 moduli in serie ................................... 242 
6.4.2.3.2 Batterie Nichel-Cadmio ...................................................................................... 246 
6.4.2.3.2.1Numero passeggeri max =10→8 moduli in serie ......................................... 247 
6.4.2.3.2.2 Numero passeggeri max=11→7 moduli in serie ......................................... 251 
6.4.2.3.2.3 Numero passeggeri max=12→6 moduli in serie ......................................... 255 
6.4.3 Tabella riassuntiva ................................................................................................259 
 V

INDICE 
6.4.4. Eliminazione dei transitori del motore termico....................................................262 
6.4.5 Miglioramento dei casi considerati.......................................................................266 
6.4.5.1 Batterie Nichel-Cadmio (senza transitori motore termico) ............................268 
6.4.5.2 Batterie Piombo-acido (senza transitori motore termico) ..............................273 
6.4.6 Batterie Nichel-Cadmio con capacità di 100 Ah...................................................278 
6.4.6.1 Potenza motore termico P =45 kW,P =22,5 kW............................................280 
1 2
6.4.6.2 Potenza motore termico P =45 kW,P =15 kW...............................................285 
1 2
6.4.6.3 Caso migliore..................................................................................................290 
BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................291 
 
CONCLUSIONI ...................................................................................................................293 
 
APPENDICE A 
 
UNA PRIMA STIMA QUANTITATIVA DEGLI IMPATTI AMBIENTALI DEL PGT.....................296 
 
 VI