REX e RIS: soluzioni per la aumentare la diffusione dei veicoli a trazione elettrica

Ospitiamo volentieri il testo seguente che prefigura una maggior diffusione dei veicoli a trazione elettrica anche a breve termine.



Considerazioni per la diffusione dei veicoli a trazione elettrica,
attraverso l’aumento della flessibilità d’impiego dei veicoli a batteria (BEV) e
dell’efficienza dei veicoli circolanti (ICE).

Premessa
Sarebbe interessante valutare la realizzabilità di due tipi di apparati distinti, che troveranno ampia applicazione per almeno 10-15 anni:
1. Range extender termico per veicoli a batteria: REX
2. Retrofit Ibrido seriale: RIS

In un periodo transitorio di 10-15 anni, prima della completa elettrificazione dei veicoli, è accettabile il concetto range extender, meglio se removibile e noleggiabile, montato su uno slot standard (attualmente non definito), fintantoché l'autonomia reale dei BEV non arrivi ad effettivi 300-400 km di autonomia a 130 km/h, ricaricabili in 5 minuti con batterie più leggere a costi accettabili (e mediante adeguata e diffusa rete di punti ad altissima potenza – quasi un megawatt, con storage – presso le aree di servizio).

D'altra parte non ha senso portare peso inutile come quello di un grosso motore termico che si utilizza poche volte all’anno. Come non ha senso un veicolo elettrico che pesi 2-2,2 t e che abbia 500 km di autonomia se ci giro all'80% in città e per brevi tragitti.

BENCHMARK. Il benchmark attuale da migliorare, almeno per l’autonomia elettrica, è Toyota Prius Plug-in, che adotta uno schema ibrido parallelo con batteria maggiorata:
1. Autonomia elettrica fino a 25 km.
2. Necessari 90 minuti per una ricarica completa utilizzando una presa elettrica convenzionale.
3. Consumi pari a 2,1 l/100 km, con emissioni di CO2 pari a 49 g/km.
4. In caso di esaurimento della batteria, la Prius Plug-in passa automaticamente al funzionamento in modalità full hybrid (HV), con emissioni e consumi pari rispettivamente a 85 g/km di CO2 e 3,7 l/100 km.
5. Autonomia totale superiore ai 1.200 km.
6. Abitabilità per 5 passeggeri adulti e una capacità del bagagliaio circa di 440 litri.
7. Prezzo: attorno ai 35.000 euro (?).

Altri schemi adottati da recenti veicoli possono essere interessanti, ma si tratta o di veicoli fuori target o non possono essere considerati per questioni di prezzo e di affidabilità (alcuni sono sotto esame).
Sono allo studio altri prototipi di carattere sportivo e di lusso con trazione integrale (un motore per ruota, montato nella massa sospesa) con range extender termico.

1. RANGE EXTENDER TERMICO PER VEICOLI A BATTERIA (REX)
La proposta è quella di aggiungere un compatto range extender (REX) da omologare per le vetture elettriche più diffuse o con potenziale di diffusione più elevato per aumentarne la diffusione attraverso l’aumento della fruibilità del veicolo elettrico a batteria anche su lunghe distanze, mantenendo un’elevata efficienza rispetto ai veicoli endotermici.
Occorre semplificazione del Nulla osta del Costruttore, ed avere un Collaudo in un unico esemplare.

Nel rendering il progetto dimostrativo della tedesca KolbenSchmidt.

Considerazioni preliminari sul range exterder per veicoli medi, in opzione removibile utilizzando uno slot standard.
1. L'estensore di autonomia è un motore a combustione interna che s'avvia se le batterie sono scariche, al fine di azionare il generatore che produce la corrente necessaria per alimentare il motore elettrico.
2. Il concetto è il seguente: per estendere l'autonomia dei veicoli elettrici dotati di batteria fissa (i nuovi futuri o quelli derivati da quelli riconvertiti) si può usare una batteria removibile o ancor meglio un generatore compatto mosso da un motore termico anche questo removibile. Al momento, un generatore elettrico removibile non esiste per questo tipo di applicazione. Le batterie sostituibili sì, ma sono enormi, grandi come quasi tutto il veicolo (il sistema c.d. BetterPlace va bene solo per flotte stanziali come distribuzione merci o i taxi; ad esempio, a Tokyo c’è una sperimentazione in corso).
3. Il modulo di generazione compatto endotermico removibile (serbatoio del combustibile + motore bicilindrico ottimizzato + generatore da 30 kWe) è compatibile con lo slot (o due slot) della batteria removibile standard.
4. L'ideale è arrivare ad uno slot di dimensioni standard da collocare in fase di progetto nel vano motore in posizione favorevole per non influenzare troppo il centro di gravità (o sperimentale: bagagliaio o sotto il pianale). In generale il concetto del range extender dovrebbe quindi essere basato su un cradle standard che potrebbe essere adottato dall'industria automobilistica o dai retrofitter per imbarcare a bordo, quando occorre, una batteria aggiuntiva o un modulo di generazione compatto, integrato e "autonomo" dotato delle necessarie connessioni input-output (controlli, potenza, aria, gas di scarico, bocchettone serbatoio accessibile).
5. Lo slot della batteria removibile standard ha forma regolare, dispone di connessioni (elettriche, idrauliche verso la batteria e verso il sistema di raffreddamento del veicolo) e sicurezze anti-manomissione e che impediscano il più possibile l’asporto non autorizzato.
6. Invece appare importante sviluppare e brevettare l'idea dello lo slot standard modulare per mettere da 1 a 3 batterie in serie o mettere a bordo il generatore removibile, solo quando serve oppure quando si viaggia lontano da infrastrutture di ricarica per il fast charging o da corsie elettriche attrezzate per la ricarica dinamica a risonanza magnetica. Il range extender modulare può essere acquistato o commercializzato per il noleggio (come le batterie di Renault/Betterplace). Lo slot (cradle o bay) o gli slot modulari quando sono vuoti possono essere utilizzabili come spazio di carico utile, con apposite protezioni per sicurezza o sporcizia.
7. Altra possibile applicazione è la batteria removibile con slot standard e non proprietario che implica un factor form della batteria condiviso e così come alcune caratteristiche salienti di base (connessioni elettriche, elettroniche e idrauliche per il controllo temperatura della batteria riscaldamento/raffreddamento standard e per ricambio rapido). Si tratta di una batteria accessoria in moduli compatti (di opportune dimensioni) e di forma regolare (oggi da 50 a 150 kg/3-10 kWh) da imbarcare solo quando si fanno lunghi viaggi (la cosa avrà ancora maggior senso anche quando i moduli delle batterie diventeranno meno pesanti e più densamente energetici) per non immobilizzare capitale e non avere a bordo peso inutile. Anche nella futuribile ipotesi che si sviluppasse la ricarica wireless dinamica (10 kWh) mediante apposite corsie di bobine risonanti, la soluzione del REX rimane la più flessibile e di immediata attuazione almeno per altri 20-25 anni. L’alloggiamento deve essere accessibile o dal fondo scocca o dal cofano del vano motore e la zona deve essere adatta per non influenzare troppo il centro di gravità. Tale slot deve essere installabile sui veicoli già circolanti sottoposti a retrofit dopo che sia stato rimosso il powertrain tradizionale (retrofit 100% elettrico + modulo).

FUNZIONI RANGE EXTENDER (REX):
1. Generatore/motore avvio motore termico.
2. Ricarica batteria/collegamento ad inverter veicolo.

SPECIFICHE DEL RANGE EXTENDER (REX):
1. Altezza del profilo: <15 cm;
2. Ingombri compatibili con i vani disponibili e non utilizzati a bordo veicolo (fondoscocca?);
3. Peso: 50-70 kg max a secco;
4. Ancoraggi meccanici di sicurezza;
5. Montaggio di un cradle con alcune parti fisse come le connessioni elettriche, idrauliche e pneumatiche (cavo di collegamento, presa aria, scarico, radiatore);
6. Potenza max 30 kWe in c.c. a 400V da fornire all'inverter (ingresso in c.c.);
7. Gestione dell’entrata in funzione su input dell'inverter/sistema gestione veicolo (upgrade del software?);
8. Serbatoio: 10 litri di benzina (100 kWh --> circa 35 kWh elettrici) che comunque consenta un raddoppio dell’autonomia in autostrada. Se possibile portare a 20 litri il serbatoio (l’autonomia triplica);
9. Per mantenere basso il profilo del range extender si potrebbe utilizzare motore endotermico Wankel da circa 500 cc circondato da celle di Peltier (che gira a regime costante di efficienza massima, potenza 35 kW) in mezzo a due generatori in c.c. piccoli (uno da una parte e uno dall'altra che avviano l’endotermico);
10. Coibentazione termica e acustica (e chiaramente con isolamento delle emissioni gassose e odorose);
11. Nel sotto-pianale, mediante il cradle montato stabilmente: presa aria, radiatore, scarico gas;
12. Il REX è dotato di celle di Peltier (ormai dal costo contenuto e con recuperi di energia termica prossimi al 5%) dove c'è calore residuo e aumentare i salti termici con opportuni raffreddamenti, scarico gas di combustione (filtrati ad acqua?), il radiatore (anche qui con le celle di Peltier) potrebbe essere collocato fisso al di sotto del pianale. Non si può utilizzare il circuito di raffreddamento presente a bordo (collegandosi ai tubi che raffreddano caricabatterie, motore, inverter e convertitore cc/cc del fast charging) perché lavora a temperature più basse;
13. Prezzo: 2000-3000 euro, prodotto di serie;
14. Mercato potenziale fino alla diffusione di batterie con materiali nanostrutturati ricaricabili in 5 minuti da 40-100 kWh, pesanti 250 kg.
Per la collocazione sul veicolo, ad esempio, si potrebbero sfruttare alcuni volumi presenti nel sottoscocca dei veicoli elettrici anteriormente o posteriormente.

ALCUNI ESEMPI
Ad un motore termico per aumentare l'autonomia dei veicoli elettrici ci sta lavorando anche Lotus Engineering, la divisione del gruppo Lotus che si occupa di consulenza tecnica in campo automobilistico: ha appena concluso una collaborazione tecnica e uno studio di mercato con Fagor Ederlan di Mondragon, il maggior gruppo mondiale di cooperazioni, proprio per giungere alla produzione del cosiddetto "estensore d'autonomia".
Lo studio ha portato ad un accordo con Lotus Engineering per sviluppare il motore per la produzione in serie e venderlo tramite Fagor Ederlan sul mercato automobilistico mondiale. L'estensore d'autonomia sviluppato dalla Lotus Engineering è un tre cilindri a benzina di 1.2 litri. Altri esempio impiegano bicilindrici di origine motociclistica.
Nelle vetture elettriche ad autonomia estesa, il motore a scoppio si avvia solo quando le batterie hanno un livello di carica sotto il 30% (l'autonomia elettrica è di circa 40-60 km su questa tipologia di vetture), di conseguenza l'efficienza del propulsore è una dote che passa in secondo piano rispetto alla leggerezza e alla compattezza del motore. Non a caso, l'azienda austriaca AVL ha sviluppato un gruppo generatore mosso da un motore Wankel, potente e dagli ingombri minimi.

2. RETROFIT IBRIDO SERIALE PER LE VETTURE CIRCOLANTI PIÙ RECENTI E DIFFUSE (RIS)

La proposta riguarda un retrofit elettrico omologato per le vetture esistenti, mantenendo una fruibilità accettabile anche su lunghe distanze, utilizzando il motore endotermico esistente come generatore, ma in grado all’occorrenza di essere connesso alle ruote. Occorre semplificazione del Nulla osta del Costruttore, ed avere un Collaudo in un unico esemplare. Una trasformazione del genere dovrebbe avere un prezzo contenuto in 12-14.000 euro al massimo.

FUNZIONI RETROFIT IBRIDO SERIALE (RIS)
1. Trazione elettrica/retromarcia;
2. Trazione seriale elettrica + termica (ibrido parallelo inseribile in autostrada);
3. Frenata rigenerativa;
4. Super capacitore fra motore elettrico e batteria di trazione (predisposizione per montaggio super nanocapacitore come quelli che impiegano materiali nanostrutturati delle dimensioni di una lattina da 50 cl in sviluppo presso FastCaps – fastcapsystems.com);
5. Ricarica batteria con motore endotermico a giri costanti;
6. Avvio motore termico mediante motore elettrico di trazione;
7. Scambio bidirezionale di energia con la rete, utilizzando l’inverter con le opportune protezioni per l’impianto elettrico a cui è connesso il veicolo;
8. Inverter con 8 canali (funzioni logiche mediante il software), con funzione di caricabatteria, anche oltre 3 kW/16A.

DESCRIZIONE. Anche per i veicoli circolanti potrebbe essere lanciata una sfida tecnica interessante: riconversione incentivata anche con norme di favore per l'accesso in città per chi trasforma in veicolo ibrido seriale a trazione elettrica e ricaricabile da rete un veicolo con motore endotermico, riducendo ad un terzo il serbatoio originario. Per fare questo occorre l'introduzione nell'ordinamento tecnico italiano (in altri paesi europei questa possibilità esiste già) di operare oculate modifiche ad un veicolo senza il consenso del produttore, utilizzando kit omologati con la procedura del collaudo in un unico esemplare (intervento del Legislatore).
La riduzione ad un terzo della capacità originaria del serbatoio del carburante, consente di installare nello spazio lasciato libero un modulo specifico per quel modello di vettura contenente la batteria di trazione (generalmente agli ioni di litio o meglio se litio polimeri, della capacità di alcuni kWh: circa 10); va sostituito all'interno della scatola del cambio il gruppo frizione con un motore elettrico piatto, raffreddato a liquido (da 40 a 60 kW, tipo gli YASA-750 di Yasa Motors).
All'interno del vano motore verrebbe alloggiato un inverter compatto, eventualmente anche con funzione di caricabatteria, e un supercapacitore (a materiali nanostrutturati, quanto prima) per recuperare più efficacemente energia durante le decelerazioni e ridurre il carico di lavoro per la batteria di trazione che è di capacità contenuta. Gli apparati elettrici di potenza sono raffreddati a liquido con circuito separato.
ELEVATA INTEGRAZIONE. L'inverter potrebbe in opzione essere strutturato per assolvere le funzioni di caricabatteria aggiungendo più linee di potenza bidirezionali e relative protezioni, oltre che gli altri flussi di energia da gestire durante i vari stati di funzionamento del veicolo. Una funzione importante ed innovativa è quella di scambiare energia con la rete (in opzione, in modalità wireless a risonanza magnetica) in maniera bidirezionale: a tal fine sarebbe interessante verificare la possibilità di utilizzare un inverter evoluto che incorpori anche le protezioni per cedere energia all’impianto elettrico a cui è connesso il veicolo.
IBRIDO PARALLELO INSERIBILE. All'interno della scatola del cambio verrebbe alloggiato un rinvio meccanico inseribile, gestito dall'elettronica del veicolo, per collegare il motore termico direttamente alle ruote durante andature autostradali o di particolare sforzo per aiutare il motore elettrico (utilizzare due frizioni elettromagnetiche?). Il sistema di gestione provvederebbe a ricaricare la batteria di trazione mediante inversione dei flussi di energia durante i rilasci o i tratti in discesa o durate le decelerazioni (i freni meccanici terminano in ogni caso la frenata) con accumulo temporaneo nel supercapacitore, connesso alla batteria tramite l’inverter. L'autonomia combinata elettrica e termica di un veicolo del genere potrebbe essere attorno ai 300 km, ricaricabili su strada in qualsiasi distributore di carburante, ma con un notevole risparmio di peso.
EVOLUZIONI. In opzione possono essere aggiunti motori elettrici compatti sull’asse privo di trazione per configurazioni più avanzate di recupero dell’energia in frenata o gestire una trazione integrale che includa un fine controllo di trazione. Uno schema simile era adottato, utilizzando un bicilindrico di origine motociclistica come range extender, dalla Mini della PML oggi Protean Electric.
CAMBIO INTEGRATO. Un altro fattore da considerare potrebbe essere un motore elettrico con cambio a diversi rapporti che aumenta la velocità a parità di giri, grazie alla demoltiplicazione. È prodotto in Italia da una ditta di Umbertine (PG) che costruisce i motori per le moto elettriche di BRAMMO e ZERO MOTORCYCLES.

Considerazioni per la diffusione dei veicoli a trazione elettrica, attraverso l’aumento della flessibilità d’impiego dei veicoli a batteria (BEV) e dell’efficienza dei veicoli circolanti (ICE). by Daniele Bonafede is licensed under a Creative Commons Attribuzione - Condividi allo stesso modo 3.0 Unported License.
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