Trip Log – Rendimento di MG1 e MG2 come Generatori

La potenza meccanica complessiva di MG1+MG2 è indice dello scambio di potenza elettrica col circuito HV di alta tensione.
Quando essa è positiva, la potenza meccanica è indirizzata alla trasmissione, assorbendo una corrispondente potenza elettrica dal circuito HV.
Quando essa è negativa, la potenza meccanica viene assorbita dalla trasmissione, erogando una corrispondente potenza elettrica sull cuircuito HV. In questo articolo ci si interesserà a questa seconda condizione.

Si considerano congiuntamente i due motogeneratori per semplificare l’analisi, permettendo l’accorpamento in un’unica trattazione di situazioni diverse. Limitatamente alla carica della batteria, essa può avvenire:

  1. Ad opera del solo MG1, durante le ricariche alimentante dal termico, quando la potenza meccanica di MG2 è nulla.
  2. Ad opera del solo MG2, durante le ricariche alimentante dal termico, quando la potenza meccanica di MG1 è nulla; durante il Coasting e durante le frenate rigenerative.
  3. Ad opera di MG1 e MG2 contemporaneamente, durante le ricariche da termico quando funzionano entrambi da generatori.
  4. Durante il funzionamento Seriale, in cui un MG funziona da generatore e l’altro da motore, con una parte della potenza elettrica generata che viene inviata alla batteria.
Qry 1

Da qui in avanti ci si riferirà all’insieme dei due motogeneratori come al motogeneratore equivalente MG.
Si analizzeranno anche i funzionamenti come generatori di MG1 e di MG2 singolarmente presi. L’analisi di MG1 produrrà risultati molto sommari per la scarsità di dati utili (0.5% di probabilità), a testimonianza di come sia difficile separarne il funzionamento da quello di MG2 .

Il circuito HV

Al circuito HV, cui MG accede tramite un DC/DC converter, sono connessi, oltre alla Batteria di Trazione, altri 2 carichi secondari: un DC/DC converter per alimentare ll circuito 12V dei servizi e l’alimentazione del compressore elettrico del condizionatore.

Purtoppo la visibilità in Hybrid Assistant degli attori che agiscono sul cuircuito HV è limitata a:

  • Tensione e Corrente, e quindi Potenza, dei flussi elettrici in entrata/uscita dalla batteria HV.
  • Rpm e Coppia, e quindi Potenza, agli alberi dei due motogeneratori. Immagine meccanica, al lordo del rendimento di trasformazione, del flusso di potenza elettrica di MG col circuito HV. Scopo di questa analisi sarà propriamente stimare questo rendimento.

Il climatizzatore è stato acceso poche volte durante l’anno di acquisizione dei log come condizionatore e pressoché mai come deumidificatore. Gli assorbimenti di potenza sono stati normalmente ridotti (verificati con Scangauge), in media meno di 600W . Se esso fosse stato sempre usato nel 2% dei campioni in cui la temperatura ambiente ha superato i 30°C (Qry 1) , la potenza assorbita, suddivisa sull’intero set di dati, inciderebbe in media per 2/100 di 600W, cioè per 12W. Lecito trascurarla.

In Query 1 la distribuzione delle temperature ambientali presenti nel sottoinsieme dei dati che interessano l’analisi in corso. Circa 98% dei campioni è stato acquisito con temperature inferiori ai 30°C.
Nota: nella query si fa uso di Funzioni Analitiche che richiedono versioni Sqlite successive alla 3.25.

Qry 2

La potenza assorbita dal circuito 12V ha un valore minimo, rilevabile dall’assorbimento dalla batteria HV ad auto ferma e senza carichi elettrici accesi, di circa 400W.

Si fa una ipotesi conservativa: si userà il valore costante di 400W, il minimo letto su Hybrid Reporter, per dare conto della potenza assorbita dai servizi. Sottraendo questo valore alle potenza della Batteria HV, si stimerà, sicuramente per difetto (in modulo), la potenza elettrica all’uscita di MG.

L’approssimazione così introdotta influirà poco sulle potenze, in modulo, medio-alte, ma può introdurre disturbi avvertibili alle potenze più basse. A 2kW, per esempio, la stima di 400W per i servizi rappresenta il 20% della potenza meccanica di ricarica. Scostamenti rispetto alla stima del valore effettivamente assorbito da servizi sono in grado di influenzare avvertibilmente la valutazione del rendimento.

I segni delle Potenze

Convenzionalmente le potenze erogate sono positive, quelle assorbite negative.
Nel motogeneratore MG la potenza meccanica (Pmg) erogata/assorbita dalla trasmissione ha sempre segno opposto a quella elettrica (Ppcu) contemporaneamente assorbita/erogata sul cuircuito HV.
Nel corso della trattazione, ai fini della stima del rendimento, di dovranno confrontare i moduli delle potenze. Qui però, per rendere immediatamente distinguibili le trattazioni come generatore o come motore, si farà prevalere il segno della potenza meccanica affiancandola, nei grafici, al valore opposto -Ppcu della potenza elettrica.

Rendimento MG come generatore

Le potenze sono state arrotondate ai 100W. Il filtro è sulla Potenza Meccanica di MG, che deve essere negativa, cioè di carica della Batteria. Si sono inoltre esclusi i valori estremi perché poco significativi. Sono state escluse le coppie Potenza Batteria / Potenza MG che non compaiono almeno 2 volte.
Raggruppando sulla coppia di Potenze di ottengono 7914 valori estratti da 827934 campioni .

Qry3

Raggruppando sulla potenza meccanica di MG, è calcolata la media pesata della Potenza della Batteria. Per poi ottenerne, sottraendo i 400W per i Servizi, la stima della potenza elettrica in uscita di MG e, quindi, del rendimento.

Qry 4

I casi di potenze meccaniche assorbite da MG inferiori ai -22kW sono troppo scarsi per permettere una stabilizzazione statistica delle curve prodotte.
Il tratto iniziale [-1; 0] kW è stato omesso perché, pur ricco di casi, è affetto da molto rumore e produce dati poco significativi.

Fig.1

Nel range [-20; -10] kW il redimento di conversione Potenza Meccanica -> Potenza Elettrica, inteso come rapporto tra la stima della Potenza Elettrica in uscita della PCU e la Potenza Meccanica in ingresso di MG, si mantiene molto alto, a valori mediamente superiori al 95%, con punte del 97%.

Da [-10; -6] kW c’è una zona di piccole oscillazioni, comunque al di sopra del 92%.

Da [-6; -3] kW c’è il range di potenza tipico della ricarica della batteria da parte del termico, che si aggiunge ai contributi di coasting e di rigenerativa. Notare il picco del numero di casi poco prima dei -5kW, valore tipico della ricarica da ICE. Il rendimento, dal 95% raggiunto ai -5kW, inizia a scendere, pur mantenendosi sopra il 90% a -3kW.

Nella parte conclusiva, [-3; -1] kW la curva di rendimento scende decisamente, fino ad un minimo di 80% a -1.5kW. Poi si inizia la zona di instabilità, troncata a -1kW.
Questa discesa dei rendimenti per piccole potenze potrebbero avere varie cause:

  • Se solo uno degli MG fosse azionato, esso lavorerebbe a potenza molto bassa, in una zona di funzionamento dove il rendimento della macchina elettrica è basso.
  • Nel caso fossero azionati entrambi, potendo operare a potenze anche non piccole, questa carica sarebbe una frazione della potenza elettrica seriale tra loro scambiata, frazione usata dal sistema ibrido per aggiustamenti del livello di SOC. Questi aggiustamenti sono brevi e instabili, con una connotazione transitoria che ne ostacola l’ottimizzazione.
  • L’ipotesi di assorbimento fisso di 400W per tener conto dei servizi (e del condizionatore) a -3kW di potenza MG cui corrispondono -2.3kW di Batteria incide su questa per il 17%. A -1kW di potenza MG cui corrispondono -0.43 kW di Batteria incide su questa per lo 88%.

Per meglio indagare queste basse potenze di ricarica conviene analizzare singolarmente il comportamento degli MG, ma ciò è possibile solo nei casi in cui operano da soli.

Rendimento di MG1 come generatore

Il numero di coppie di potenza e quello dei sottostanti campioni si riduce a soli 783 e 4451 come visto nella precedente Qry 1.
Si calcolano, come consueto, le medie pesate delle potenza di batteria per i kW di potenza meccanica assorbita da MG1 e, sulla base di quelle, una stima del rendimento di MG1 come generatore.

Qry 5

Il numero di campioni è scarso per permettere la stabilizzazione statistica delle curve. MG1 non interviene nella frenata rigenerativa / coasting e dunque può ricare la batteria solo quando spinto dal termico. Il range di potenza è conseguentemente ridotto.

Fig.2

Il confronto col rendimento del sistema complessivo MG ne evidenzia l’irregolarità. Permette comunque di confermare come il rendimento tenda calare per piccoli (in modulo) valori di potenza e, nel caso del solo MG1, ciò può dipendere solamente dal calo di rendimento di quello alle basse potenze.

Fig.3

MG2 come generatore

Il numero di coppie di potenza e quello dei sottostanti campioni è consistente, 5498 e 183801, perché la frenata rigenerativa e il coasting sono affidati al solo MG2.

Ci potrebbero anche essere dei rari casi in cui MG2 funziona da generatore spinto dal termico (modalità eretica) e invia tutta la potenza EV alla batteria.

Dei 827934 campioni totali, i 183801 ascrivibili al solo MG2 rappresentano il 22%. Considerando il circa 1% ascrivibili al solo MG1, ne segue il 77% dei casi di carica della batteria HV sono prodotti durante il funzionamento combinato dei due MG.

Qry 6

Si calcolano le medie.

Qry 7

Le curve, una volta raggiunti un numero di casi sufficienti, sono molto ben stabilizzate. Il rendimento di mantiene pressoché costante a valori molti alti, ben sopra il 95% per poi, soprendentemente, aumentare (in modulo) alle piccole potenze, fino dati chiaramente inattendibili. A questi bassi valori l’ipotesi di un prelievo costante di 400W per i servizi (che al di sopra dei |2| kW supera la soglia del 20% della potenza) non è in grado di fornire risultati coerenti di rendimento, pur in presenza di un numero sensibile di casi.

Fig.4

In Fig.5 il confronto tra il rendimento di MG2 generatore calcolato come in Fig.4 e il rapporto tra potenza della batteria e quella di MG2, cioè eliminando l’assorbimento costante di 400W. I risultati in questo secondo caso sono più coerenti e mettono in discussione la validità dell’ipotesi di potere considerare sempre un assorbimento costante dei Servizi.

Fig.5

Il confronto dei rendimenti col sistema complessivo MG dimostra, come prevedibile, concordanza fino a quando prevalgono frenate rigenerative e coasting.
A valori in cui interviene anche la ricarica da termico e, in generale, l’azione combinata dei due MG, gli andamenti divergono.

Fig.6

Carica della Batteria da parte del Termico

L’intervento del Termico per caricare la Batteria mentre fornisce potenza alle ruote, cioé la diversione di parte o di tutto il flusso seriale di corrente tra i due MG a vantaggio della ricarica, avviene a livelli medio-bassi di potenza di avenzamento, tipicamente a non più dei 3/4 della zona ECO del PowerMeter.
Poiché questa operazione ha molta rilevanza nella guida, ne si vuole studiare in dettaglio il rendimento.
Si considera l’intervallo di ricarica [|2|; |10|] kW con, per escludere le altre forme, la condizione di potenza ICE superiore di almeno un 1kW al modulo della potenza di ricarica. Si ottengono così 3247 Coppie provenienti da 453941 campioni.

Qry 8

La query statistica per estrarre i dati:

Qry 8

I risultati di Fig.7 mostrano che nell’intervallo [-6; -4] kW, tipico della ricarica da Termico, il rendimento si mantiene superiore al 90%, con un picco del 94% a -5kW. Decresce poi rapidamente: 84% a -3 kW e 74% a -2 kW.

Fig.7

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