B2394 - POWERTRAINS FOR SUSTAINABLE MOBILITY (6 CFU)

Conoscenze e abilità da conseguire

At the end of the course the student knows the basics of sustainable powertrain technologies, from the use of natural resources down to energy conversion, including power and emissions control.

Contenuti

• Modulo 1

Introduzione alla Mobilità Sostenibile

Analisi del Ciclo di Vita (Life Cycle Assessment - LCA)

Carburanti sostenibili

• Idrogeno
• Bio-carburanti
• E-Fuels (carburanti sintetici)

Fondamenti dei motori a combustione interna

• Efficiency
• Erogazione della coppia
• Rilascio di caolore e principali indici di combustione

Caratteristiche della combustione SI (Spark Ignition) e CI (Compression Ignition)

Emissioni

• Emissioni nei motori SI
• Emissioni nei motori CI

Sistemi di post-trattamento dei gas di scarico (Aftertreatment Systems – ATS)

• ATS per motori SI
• ATS per motori CI

Tecnologie Avanzate di Combustione

• Sovralimentazione (supercharging)
• Downsizing
• Rapporto di compressione variabile
• Turbulent Jet Ignition – TJI
• Spark Assisted Compression Ignition – SACI

Motori a Combustione Interna con Carburanti Sostenibili

Motori a idrogeno

 

Modulo 2

Veicoli elettrici: introduzione

• Storia del veicolo elettrico
• Grafico di Ragone (potenza specifica vs energia specifica); densità energetica volumetrica vs gravimetrica; prestazioni reali (autonomia, tempo di ricarica…)
• Definizioni di veicolo elettrico/elettrificato: BEV, EREV, PHEV, FHEV, MHEV, FCEV
• Topologia: componenti principali dei veicoli elettrici

Batterie

• Componenti del sistema batteria (celle, moduli, pacchi, sistema) Tipi di celle
• Definizioni principali: tensione nominale, di cut-off, a circuito aperto capacità/energia nominale C-rate, E-rate SOC (State of Charge), DOD (Depth of Discharge), IR (resistenza interna), SOH (State of Health)
• Funzionalità del BMS (Battery Management System)
• Altri componenti del sistema: sistema di raffreddamento, BJB (Battery Junction Box), housing

Celle Batteria

• Fondamenti: ruolo di elettrodi, elettrolita, separatore
• Batterie al piombo-acido: reazioni a catodo, anodo e totali durante carica/scarica
• Batterie Li-Ion: reazioni a catodo, anodo e totali durante carica/scarica
• Potenziale di cella basato sulla variazione di energia libera di Gibbs
• Caduta di tensione: resistenza interna, polarizzazione da attivazione (modello di Butler-Volmer, equazione di Nernst, legge di Fick), polarizzazione da concentrazione
• Modellazione della cella
• Strategie di ricarica
• Thermal runaway: cause principali, fasi, mitigazione
• Standard dei sistemi di ricarica
• Convertitori DC-DC: Buck converter
• Convertitori DC-DC: Boost converter, valutazione del rapporto di tensione e dell’efficienza
• Convertitori DC-DC: Perdite per switching e perdite per conduzione

Motori elettrici (E-motors)

•  Motori DC: struttura e curva coppia-velocità (dipendenza da corrente, tensione e flusso)
•  Efficienza dei motori DC: perdite in rame, perdite nel ferro, attriti; curve iso-efficienza
•  Frenata rigenerativa, limiti di potenza (calore)
•  Motori BLDC: struttura e principio di funzionamento
•  Motori SRS
•  Motori a induzione
•  Motori PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor): struttura, principio, curva coppia-velocità
•  Materiali per motori: conduttori, magneti
•  Inverter monofase (H-bridge & PWM)
•  Inverter trifase a 6 step

Celle a combustibile (Fuel Cells)

•  Storia e applicazioni
•  Tipi di fuel cell: schemi e reazioni di PEM, SOFC, AFC, PAFC, DMFC, MCFC
•  Componenti della PEMFC e schema dettagliato
•  Curva di polarizzazione: variazione del potenziale standard con temperatura e pressione, potenziale di Nernst
•  Polarizzazione da attivazione
•  Polarizzazione ohmica
•  Polarizzazione da concentrazione
•  Perdite a circuito aperto
•  Prestazioni reali delle celle
•  Efficienza del sistema FC
•  BoP (Balance of Plant): topologia
  
•  Sistema di stoccaggio
•  Alimentazione idrogeno
• Alimentazione aria: compressore
• Umidificatore
• Sistema di raffreddamento
• Layout del veicolo

Powertrain Ibridi

• Definizioni dei veicoli ibridi

• Architetture dei sistemi ibridi

•  Serie

•  Parallelo

•  Serie-parallelo (Torque Split Meccanico e 2x2)

• Posizionamento:

  • Pre/post trasmissione
  •  P0, P1, P2, P3/P4

• Modalità di guida: Torque assist, Avviamento motore a freddo, Stop/start, Arresto in movimento, Riduzione carico motore, Recupero energia, Frenata rigenerativa, Creep
•  Controller Supervisore del Veicolo: Strategie di selezione del modello
•  Torque split meccanico: principio di funzionamento
•  Strategie di controllo delle modalità operative
•  Modalità elettrica
• Serie
• Parallelo
• Power split
• Freno motore
• Rigenerazione
• Serie-parallelo 2x2
• Modalità elettrica
• Serie
• Parallelo
• Power split
• Controllo energetico
• Controllo della rigenerazione

Metodi didattici

Gli argomenti del corso verranno mostrati facendo uso di diapositive Power Point (che gli studenti possono scaricare dalla piattaforma di condivisione del materiale didattico, dopo essersi iscritti alla lista di distribuzione), dati, materiale bibliografico.

Gli studenti visiteranno il sustainable powertrain laboratory, in cui sono svolte attività di sviluppo su motori a combustione interna e celle a combustibile.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame orale. Durata dell'esame un'ora circa.

Vengono effettuate tre domande scelte casualmente tra i diversi argomenti contenuti nel programma:

- combustibili sintetici, potenzialità degli MCI alimentati con combustibili sintetici.

-MCI alimentati a idrogeno

-motopropulsori con Fuel Cells

- veicioli elettrici a batteria

- veicoli ibridi

- LCA e confronto di diverse tipologie di motoptopulsore

A ciascuna delle tre domande, a cui lo studente risponde riportando schemi, grafici, equazioni viste nel corso, viene attribuito un punteggio tra zero e 10 punti, che concorrerà alla formazione del voto finale (espresso in trentesimi). Una domanda potrà essere sostituita da un progetto personale, il cui argomento sia stato accordato col docente.

Il programma d'esame, con la lista dettagliata degli argomenti è messo a disposizione sulla piattaforma di condivisione del materiale didattico, alla fine del corso.

Il calendario delle prove è reso disponibile con ampio anticipo sulla piattaforma web AlmaEsami dell'Ateneo di Bologna. L’iscrizione all’appello è possibile da 10 a 5 giorni prima della data d’esame. Al momento della prova lo studente deve presentarsi con un documento di riconoscimento.

Strumenti a supporto della didattica

Durante lo svolgimento delle lezioni verranno consegnate agli studenti presentazioni relative agli argomenti in programma, oltre a materiale per approfondimenti.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Vittorio Ravaglioli

Consulta il sito web di Enrico Corti