Tecnologia Williams Hybrid Power

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia Williams Hybrid Power – Parte seconda

Nell’articolo “Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?” vi abbiamo mostrato una panoramica del sistema Williams Hybrid Power basato su accumulatore di energia cinetica a volano, ora vi raccontiamo le caratteristiche tecniche nel dettaglio.

Il volano è in grado di raggiungere i 40.000 giri/minuto in soli 2 secondi.
In caso di avanzamento a velocità inferiore ai 7 km/h il sistema viene automaticamente scaricato per evitare ogni possibile fuga di energia elettrica.
Il sistema di controllo dell’isolamento è in continuo monitoraggio per individuare eventuali perdite di corrente.
Alla partenza della gara (ricordiamo che il dispositivo è montato su una Porsche 911 Hybrid destinata alle gare di endurance: 24 ore del Nurburgring, ecc.) l’accumulatore di energia cinetica è scarico ma bastano 2 secondi di frenata per portarlo a 40.000 giri/minuto.
L’accumulo di energia è straordinariamente veloce ma l’autonomia per alimentare i motori elettrici ha una durata di 6-8 secondi. Una normale batteria non riuscirebbe ad elaborare la corrente necessaria in tempi così brevi di carica e di scarica.
L’accumulatore di energia cinetica a volano è in grado di accumulare 1 Megajoule di energia.
E’ prevista una vita utile pari ad un milione di cicli di ricarica.
Piena potenza (60kw a motore – due motori alimentati) disponibile per 6-8 secondi.

I motori elettrici montati sull’avantreno della Porsche 911 Hybrid hanno un rendimento del 90% circa (rendimento che potrebbe essere superiore dato che non lavorano nel proprio carico ottimale ma girano tra 0 e 15.000 giri/min), inoltre l’elettronica di gestione dell’impianto Williams Hybrid Power comporta una perdita di un ulteriore 10%. In conclusione si può sfruttare solo l’80% circa dell’energia caricata e per una sequenza full in/full out si ottiene un rendimento stimato attorno al 65-66% ovvero un rendimento doppio a quello di un raffinato motore a scoppio.

Al momento il software di gestione del sistema e l’elettronica della vettura sono in pieno stadio di sviluppo e si presume pertanto di poter migliorare le prestazioni complessive del sistema stesso. Porsche sta compiendo tali sviluppi in piena autonomia in modo da approfondire le conoscenze necessarie in merito e fruire in futuro di una propria tecnologia.

porsche 911 hybrid

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Che cos’è un accumulatore di energia cinetica a volano?

Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…

Titolo o argomento: Tecnologia Williams Hybrid Power

Ogni volta che, alla guida della vostra auto, frenate, buttate letteralmente l’energia che il vostro veicolo ha acquisito nella precedente accelerazione (e mantenuto durante il suo moto) con una grande spesa di carburante. Ma se ogni volta che frenate, una buona parte dell’energia cinetica venisse trasformata in energia elettrica da raccogliere in un apposito dispositivo, allora potreste riutilizzarla durante la successiva accelerazione del vostro veicolo per alimentare uno o più motori elettrici di ausilio al normale motore a scoppio. Ciò comporterebbe un evidente risparmio di carburante.

Si chiama “accumulatore di energia cinetica a volano”, o se desiderate “volano elettrico”, la tecnologia Williams Hybrid Power adottata con esito più che soddisfacente sulla Porsche 911 Hybrid destinata alle gare Endurance. Essa è basata su un volano in grado di accumulare, durante la frenata, l’energia elettrica proveniente dai motori elettrici (ma sarebbe più opportuno dire “macchine elettriche”) collocati all’avantreno. Tali motori vengono chiamati a svolgere una duplice funzione: quando vengono alimentati forniscono trazione alle ruote anteriori generando 60 kW ognuno (potenza che si va a sommare a quella del motore a combustione interna), quando invece non si dà gas e, anzi si sta frenando, fungono da generatori in grado di inviare energia elettrica all’accumulatore di energia cinetica a volano.

Normalmente un volano è costituito da un rotore tenuto sospeso da appositi supporti (nei sistemi più evoluti tali supporti sono magnetici al fine di ridurre le perdite per attrito e quindi l’autoscarica) e connesso ad un motore elettrico/generatore sia in accoppiamento diretto che in accoppiamento elettromagnetico (per un ulteriore riduzione delle perdite). Per la realizzazione di un accumulatore di energia cinetica a volano si possono utilizzare diversi materiali tra cui l’acciaio, varie fibre di carbonio e compositi. Si sono studiate diverse geometrie del rotore, al fine di garantire un’elevata velocità di rotazione ed un altrettanto elevato momento di inerzia, che hanno permesso di raggiungere il ragguardevole valore di 100.000 rotazioni al minuto.

Il rallentamento del veicolo avviene inizialmente unicamente per via meccanica. Solo nel momento in cui la presa tra le pasticche ed i dischi è massima inizia la trasformazione dell’energia di frenata in energia elettrica che attiva l’accumulatore di energia cinetica a volano. L’energia cinetica di quest’ultimo viene frenata elettricamente durante l’accelerazione del veicolo e la carica ottenuta aziona i motori posti all’avantreno i quali forniranno il loro “aiuto” durante l’uscita da una curva, un sorpasso, una salita… insomma quando si desidera uno spunto in più che provenga da un recupero di energia (quindi da una sorta di ottimizzazione) piuttosto che dall’impiego di una maggiore quantità di carburante.

La soluzione, per l’appunto montata sulla Porsche 911 Hybrid, non serve infatti ad incrementare le prestazioni bensì a ridurre i consumi e di conseguenza anche le emissioni inquinanti a parità di prestazioni. Va infatti considerato che i 60 kW di potenza in più servono a compensare i 150 kg aggiuntivi dell’impianto. Non se ne trae quindi un vantaggio prestazionale ma solo ed esclusivamente in termini di riduzione dei consumi e di conseguenza delle emissioni nocive.

Di recente il volano motore elettrico di Williams è stato migliorato con una particolare innovazione ovvero la tecnologia MLC (Magnetically Loaded Composite) che prevede l’impiego, al posto dei comuni magneti permanenti, di una polvere magnetica mescolata nella matrice di un rotore realizzato in composito. In assenza di grandi strutture metalliche le perdite di corrente ed il riscaldamento sono  fenomeni trascurabili, ne segue logicamente un rendimento elettrico molto elevato. Inoltre tali dispositivi possono essere sfruttati a fondo e con continuità senza per questo pregiudicarne le prestazioni, l’affidabilità e la longevità. E’ da notare infine che l’utilizzo di un rotore in composito aumenta la sicurezza passiva del sistema: in caso di rotture (è opportuno pensare anche a questa evenienza) non ci sono frammenti metallici con una forte inerzia che possono essere centrifugati con forte rischio di espulsione (il rotore è in grado di raggiungere i 40.000 giri/min).

Un volano (flywheel) accumula energia sotto forma di energia cinetica rotazionale di una massa rotante (rotore). L’energia accumulata vale: E = 1/2 I ω2 dove I è il momento di inerzia della massa rotante e ω è la velocità rotazionale.

Si tratta di sistemi con una moltitudine di proprietà interessanti:

ricarica rapida,
lunga vita utile,
elevata energia specifica (c.a. 130 Wh/kg),
elevata potenza specifica,
elevata efficienza di carica/scarica (c.a. 90%).

Vantaggi rispetto alle batterie:

regime di carica/scarica dipendente dall’elettronica e dal sistema/motore/generatore,
prestazioni indipendenti dalla temperatura,
materiali utilizzati privi di particolare impatto sull’ambiente,
contenuto energetico facilmente misurabile rilevando la velocità rotazionale.

D’altra parte vi sono anche degli svantaggi tra cui:

l’autoscarica dipende fortemente dalle condizioni d’uso,
l’effetto giroscopico della massa rotante influisce sulla dinamica di guida e richiede un opportuno bilanciamento che può rivelarsi persino vantaggioso se ben progettato,
rischio di esplosione (intesa come rilascio rapido dell’intera energia accumulata) della massa rotante in caso di malfunzionamento.

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Lo schema del dispositivo e il punto di alloggiamento scelto da Porsche per le prove in pista

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Spaccato del dispositivo Williams Hybrid Power montato da Porsche sulla 911 Hybrid