Ibrido a frizione elettromagnetica. Cosa ne pensate?

[Guest frallog]

Tempo addietro intrapresi una strada alquanto complessa per limitare il consumo di carburante a bordo, nei molteplici periodi di fermo in caso di traffico. Si trattava di aggiungere al veicolo un "coadiutore di coppia" che aiutasse il veicolo a reggere dei minimi altrimenti impossibili da mantenere (80-150 giri/min). Oggi vorrei descrivere un metodo ***alternativo*** a questo, sempre per vetture di tipo ibrido.

La vettura di cui si abbisogna naturalmente e' un ibrido, ma in questo caso la potenza viene trasferita a un motore piccolo (diciamo 10Kw-15Kw) che funge anche da frizione ausiliaria e da alternatore. Il motore viene utilizzato specialmente nelle ripartenze, ed essendo un motore poco potente la vettura necessita di primi rapporti abbastanza corti.

Consideriamo una frizione normale accoppiata in parallelo a mezzo di un differenziale ad un generatore elettromagnetico, che sia in grado di comportarsi anche da motore elettromagetico. Evidentemente quest'ultimo puo' funzionare anche da frizione. Lo schema e' posto sotto:

                               frizione
                      Blocco1  elettromagn.
               +------+==|======// //=======|=====+------+ 
Albero motore  |Diffe |                  Blocco 3 |Accop | Uscita a.m.
===============|ren   |                           |piato |==========
               |ziale |                           |re    |
               +------+==|======|| ||=============+------+
                      Blocco2  frizione
                               classica

Nota: l'accoppiatore puo' essere a sua volta un differenziale montato al 
contrario. Oppure puo' essere un piu' semplice rinvio epicicloidale. La prima
soluzione e' comunque preferibile.

Soffermiamoci sulla "frizione elettromagnetica" che, per quanto detto, puo' fungere anche da motore elettromagnetico ovvero da generatore. Il sistema e' composto da due dischi ricoperti di ferodo. Dietro un piatto di ferodo si celano delle bobine, dietro l'altro piatto di ferodo si cela un disco magnetico polarizzato per meta' nord e per meta' sud. Chiaramente il sistema genera correnti alternate tanto maggiori quanto maggiore e' la velocita' di sfrido tra i due dischi e tanto maggiori quanto maggiore e' il campo magnetico rispetto alle bobine, cioe' quanto piu' vicini sono i dischi. Quando il sistema funziona come un generatore si ha anche un trasferimento di potenza elettromagnetica in termini meccanici, perche' se da un lato viene generata corrente elettrica, dall'altro si ha che i due dischi tendono ad accoppiarsi. Infatti quanto maggiore e' la velocita' di sfrido "v" tra i due maggiore e' la forza viscosa con cui il primo disco tende a trascinare il secondo nella rotazione. Ecco allora che per geometrie particolari (dischi molto vicini e dunque campi magnetici variabili molto intensi) il sistema a doppio disco tende a comportarsi come una frizione. Alla fine le superfici ricoperte di ferodo entrano comunque in contatto arrestando lo sfrido e dunque si comportano anch'esse come una frizione tradizionale.

Un cenno ancora al sistema in termini di generatore. Evidentemente quando blocco 2 e blocco 3 sono chiusi (bloccando qualunque trasferimento di potenza all'albero uscente) la potenza meccanica viene trasferita interamente sul componente elettromagnetico. Questo capita appunto a vettura ferma nel traffico con batterie non cariche.

Veniamo ora alla descrizione delle situazioni di marcia.

1) Marcia normale.

La vettura ha sei marce, di cui le prime due molto corte, per sopperire alla eventuale bassa potenza del motore elettrico. Consideriamo una situazione di marcia dalla terza marcia in poi, marcia da cui si attiva il solo motore termico.

In queste condizioni il Blocco 1 e il blocco 3 fermano il primo ramo. Allora non passa alcuna potenza sul primo ramo. Tutta la potenza e' trasferita allora dal differenziale sul ramo 2 dove il Blocco 2 e' sbloccato. In queste condizioni si ha un funzionamento classico della frizione (meccanica) con comando diretto del pedale della frizione sulla frizione classica.

2) Caricamento in discesa.

In condizioni di discesa (con pedale dell'acceleratore completamente sollevato e con sensore che rileva la discesa) il blocco 2 e' attivo (cioe' blocca il ramo meccanico 2) mentre i blocchi 1 e' liubero ed il blocco 3 frena la rotazione della seconda parte del ramo 1 (il ramo elettromagnetico). Allora vi sara' una rotazione differenziale tra la prima e la seconda parte della frizione elettromagnetica che dunque diventa un generatore che carica le batterie.

3) Fermo da traffico.

Il controllo elettronico misurando la velocita' attuale e la velocita' media dell'ultimo minuto e' in grado di rilevare la marcia nel traffico. In questo caso in caso di fermo con marcia inserita e frizione premuta avvengono le seguenti operazioni:

a) viene attivato il blocco 2 e la potenza non viene piu' trasferita sul ramo 2 (ramo meccanico).

b1) Se le batterie sono cariche meno del valore di taglio pari alla meta' della carica massima allora il minimo viene immediatamente regolato automaticamente da 1/3 a 2/3 del del valore del regime di coppia massima (questo garantisce dunque il un buon rendimento del motore termico). Il blocco 1 viene sbloccato mentre viene bloccato il blocco 3. La potenza alla ruota allora e' sempre nulla, ma e' attivo il generatore elettromagnetico perche' il blocco 1 e' sbloccato.

c1) viene caricata una batteria a condensatori. La carica si interrompe in due casi

- quando la batteria ha raggiunto una carica per un valore limite pari a 4/5 del valore massimo. (In questo caso viene fermato anche il motore chimico della vettura).

- quando la batteria non ha raggiunto il valore limite di carica ma il pilota alza il piede dalla frizione richiedendo potenza alla ruota.

b2) se le batterie sono cariche per un valore pari o minore di quello di taglio la il motore si spegne e si blocca il blocco2 mentre sono sbloccati il blocco 1 e 3 lasciando libero il ramo 1 (elettromagnetico) per la ripartenza elettrica.

4) Ripartenza classica.

In caso in cui le batterie sono scariche al di sotto del valore di soglia e le batterie sono cariche al di sotto del valore di taglio pari ad 1/5 del valore massimo, la ripartenza avviene per via meccanica. I blocchi 1 e 3 sono bloccati mentre il blocco 2 e' sbloccato. La configurazione e' quella classica con frizione meccanica che mette in comunicazione la parte motore-uscita asse motore.

5) Ripartenza mista.

In caso in cui le batterie sono cariche al di sotto del valore di 1/3 la ripartenza avviene in modo misto. Allora la ripartenza avviene sbloccando tutti i blocchi e dunque trasferendo sia potenza meccanica che potenza elettrica sul ramo (1) e sul ramo (2). Un controllo elettronico fara' in modo di modulare la richiesta di potenza in modo che i rami si bilancino in base alla potenza richiesta ed alla energia disponibile nelle batterie.

6) Ripartenza elettrica.

In caso in cui le batterie sono cariche al di sopra del valore pari ad 1/3 la ripartenza avviene in modo elettrico. Allora la ripartenza avviene bloccando il blocco 2 e sbloccando i blocchi 1 e 3. La frizione in questo caso e' elettromagnetica e la modulazione del pedale passa alla modulazione della distanza dei due dischi elettromagnetici e dunque alla modulazione della potenza trasferita nel motore elettromagetico.

Nelle versioni piu' sofisticate un controllo elettronico fara' in modo di modulare la richiesta di potenza con le caratteristiche geometrice del motore-frizione elettromagnetica.

7) Riavvio dopo la ripartenza elettrica.

Se il motore chimico e' spento il suo riavvio si ha nei due seguenti casi:

- Quando l'energia elettrica immagazzinata scende sotto il 10% dell'energia totale.

- Quando la pendenza in salita supera il 7%.

- Quando si innesta la terza marcia. (nota la vettura ha sei marce e le prime due sono leggermente corte, per dare adito al motore elettrico di limitata potenza di esprimere una potenza alla ruota sufficiente).

In tutti i casi il riavvio corrisponde a quello naturale che avviene con un veicolo a motore spento che si avvia in velocita'. In entrambi i casi il passaggio e' controllato elettronicamente ed e' graduale: da elettrico puro a misto elettrico-chimico ed infine a solo chimico

8) Ricarica obbligatoria.

Nel caso in cui le batterie siano scariche al di sotto del valore di soglia pari ad 1/5 del valore massimo allora anche in condizioni di marcia normale (dalla terza marcia in su) il sistema innesca la ricarica delle batterie, deviando parte della potenza meccanica sul generatore. Questo avviene nel seguente modo.

a) Il blocco 2 si inserisce ma solo in parte "frenando" il trasferimento della potenza meccanica

il blocco 3 si inserisce bloccando completamente il trasferimento della potenza sul ramo 1 (ramo elettrico)

c) Il blocco 1 e' disinserito consentendo la rotazione differenziale dei dischi della frizione elettrica, frizione che dunque in questo caso funge da alternatore

9) Il (9) non c'e' ma a me piace il dispari.

In questa configurazione c'e' una differenza sostanziale rispetto agli ibridi attuali. Il generatore che funge anche da frizione e' relativamente piccolo compatto ed anche di potenza limitata (10-15Kw). Esso non viene praticamente mai usato in parallelo al motore termico, ma serve solo nelle ripartenze ed in particolare nelle ripartenze nel traffico. Inoltre a cappello di tutto c'e' un complesso software di controllo elettronico dei componenti, dal regime ottimale di rotazione del motore chimico per il caricamento delle batterie al trasferimento ottimale della potenza tra i due rami, in modo che non vi siano dei fastidiosi salti di coppia sull'albero motore uscente.

Svantaggi:

- Complessita' e costo del sistema elettro-meccanico

- Complessita' del sistema elettronico e del software di controllo

- Scatto al semaforo limitato dalla potenza limitata (10Kw-15Kw) del motore elettrico

Vantaggi:

- Pesi ridotti rispetto ad un sistema ibrido tradizionale (qui si tratta di 100Kg-150Kg (60 Kg per i due differenziali). Il contennimento del peso avviene a causa del motore elettrico di potenza limitata, viceversa in un sistema ibrido tradizionale si parla di 300Kg-350Kg)

- Caricamento dell'energia elettrica di gran lunga superiore rispetto ad un ibrido tradizionale, (qui si carica anche stando fermi, in un ibrido tradizionale si carica solo in marcia, in discesa e fenando) con tutti i vantaggi dell'ibrido tradizionale).

- Ibrido di tipo seriale e dunque ad alta efficienza.

Nota finale: si puo' evitare la parallelizzazione (evitando anche i due differenziali) dello schema qui esposto creando un' unica frizione elettromagnetica contornata all'esterno da una frizione meccanica, ma io penso che la cosa sia costosissima e complicatissima.

Opinioni in merito sono gradite.

Regards,

Francesco 8)))