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Il veicolo HOST (acronimo di Human Oriented Sustainable Transport) è un prototipo con trazione completamente elettrica e sistema energetico ibrido-serie con funzione plug-in di ricarica eeltrica dall'esterno. E' mosso da motori-ruota elettrici (ruote indipendenti sterzanti fino a 90°), che lo rendono capace di spostarsi orizzontalmente e di ruotare su se stesso. HOST ha un sistema di guida completamente DBW (Drive By Wire) ed è stato sviluppato dal GEA-GRA Gruppo energia ambiente e Gruppo di Ricerca Automotive del CIRPS - Centro interuniversitario di ricerca per lo sviluppo sostenibile della Sapienza Università di Roma, coordinatore di un progetto europeo con un partenariato composto anche da KTH - Royal Institute of Technology di Stoccolma - Svezia, IST - Instituto Superior Técnico - Portogallo, Cargo Technologies - Austria, Stile Bertone S.p.A. - Italia Jelley Limited - Regno Unito, Volvo - Svezia, Robosoft-Francia, KVD - Olanda.

HOST 2.0 è conosciuto come il veicolo che non dorme mai perché è dotato di un sistema automatico di transhipment che gli consente di cambiare carrozzeria e destinazione d'uso durante la stessa giornata e di svolgere nelle 24 ore diversi compiti al servizio della città.

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HOST 2.0Modifica

HOST 2.0 è stato sviluppato dal SEM – Sistemi per l'Energia e l'Ambiente del CIRPS Sapienza Università di Roma - laboratorio Automotive della Regione Lazio, il cui responsabile è il Prof. Fabio Orecchini.

HOST 2.0 è una nuova versione del veicolo HOST con: batterie al litio con BMS (Battery Management System) che controlla tensione, corrente e temperatura di tutte le 70 celle implementate; Inverter comandabili via CAN e wireless con possibilità di lavorare fino a tensioni di 800 V; sistema di sterzata a 4 ruote sterzanti a 90° mosse con attuatori elettrici di precisione 1/500 di mm con unico encoder su motore come sensore di posizione (contro i 6 per ruota della versione precedente); logica centrale di comando real time che governa i 4 inverter dei 4 motori ruota, i 3 inverter delle batterie, gli ultracapacitors, il generatore elettrico e il motore termico accoppiato, il sistema di sterzata delle 4 ruote, il livellamento delle sospensioni indipendenti delle 4 ruote, gli ausiliari.

File:Host 1.jpg

Descrizione dell’architettura e del funzionamento del veicolo HOST Modifica

L’acronimo HOST significa “Human Oriented Sustainable Transport” e con esso ci si è posti l’obiettivo di realizzare un veicolo ibrido elettrico serie che consente di trovare soluzioni alternative ai tradizionali veicoli a combustione interna. Le finalità principali e gli aspetti innovativi di questo progetto riguardano la sua flessibilità di utilizzo che conduce ad un drastico abbassamento delle emissioni inquinanti tipiche dei veicoli convenzionali.

Il concetto del veicolo si basa sul transhipment, infatti sul power train ibrido termico-elettrico possono essere innestate diverse scocche che assolvono la funzione di trasformare il veicolo in modo tale che possa essere cambiata la destinazione d'uso dello stesso durante la stessa giornata e affinché possa svolgere,nelle 24 ore, diversi compiti al servizio della città. I servizi che può compiere HOST sono i seguenti:

  • Daytime car sharing services (automobile per il giorno);
  • Nocturne collective taxi (taxi collettivo per le ore notturne);
  • Nocturne garbage collection ( raccolta rifiuti notturna);
  • Daytime freight collection and distribution ( trasporto merci).

HOST è dotato di quattro ruote motrici indipendenti e sterzanti (ognuna ha un suo motore elettrico sincrono a magneti permanenti ed inverter) che gli permette anche di effettuare manovre particolari come traslazioni orizzontali e rotazioni intorno a sé stesso.

In virtù della sua manovrabilità HOST garantisce una grande facilità nelle operazioni di carico/scarico sia di merci che persone ed è dunque pensato per poter svolgere in modo continuativo diverse mansioni che vanno dal trasporto urbano, taxi collettivo notturno, raccolta rifiuti e trasporto merci. L’idea è in pratica di avere a disposizione un veicolo che lavori 24 ore su 24 e sia utilizzabile per tutte le esigenze cittadine sia come automobile che come piccolo autocarro, infatti esso può essere assemblato a seconda del tipo di task richiesta potendo passare da un modulo base di 3,5 m fino a 6 m di lunghezza. Questo veicolo potrebbe essere sfruttato dalle amministrazioni comunali per poter così ottenere con un solo mezzo una movimentazione di merci, persone e raccolta rifiuti con minore impatto ambientale grazie alla tecnologia ibrida.

Power trainModifica

HOST è un veicolo ibrido elettrico serie in cui il motore a combustione interna (ICE) è accoppiato direttamente ad un generatore sincrono a magneti permanenti (GU) che converte la potenza meccanica disponibile all’albero in potenza elettrica. La corrente alternata, erogata dal generatore, è convertita in continua tramite un boost rectifier potendo essere cosi inviata al link in continua che è fissato a 300 V. Il sistema di accumulo combinato è composto da due pacchi batterie (B), nello specifico sono state utilizzate batterie agli Ioni di Litio in HOST 2.0 mentre nella versione precedente di HOST erano presenti delle batterie al NiMH, che viene fatto lavorare con dinamiche non troppo alte per garantirne la durata e l’efficienza,questo è possibile mediante l’utilizzo di Supercondesatori (C) che intervengono nei transitori veloci legati all’azionamento di trazione visto il loro ottimo comportamento dinamico. Sia le batterie che i supercondensatori sono connessi al link (figura seguente) in continua tramite dei boost bidirezionali che permettono il passaggio di corrente nei due versi a seconda della strategia che in quel momento il “power controller” (gestore dei flussi energetici o System Manager) sta attuando per soddisfare le richieste di carico proveniente dal pilota. Il gestore dei flussi energetici è identificato col nodo BU sul cui DSP (Digital Signal Processing) è implementato un controllo in corrente.

Per fare ciò, il power controller, acquisisce tutti i dati che gli sono necessari come ad esempio lo stato di carica delle batterie, dei super-condensatori, la coppia a cui lavora il termico e gli input del pilota (quindi la coppia di carico richiesta alle ruote) e tramite la loro conoscenza determina lo smistamento della potenza disponibile tra le varie fonti in modo da soddisfare le richieste del pilota compatibilmente con la disponibilità delle fonti energetiche istantanee o per ricaricare i sistemi di accumulo nei momenti di scarsa richiesta di potenza alle ruote (figura seguente). La logica dell’algoritmo di gestione energetica consiste, in ultima analisi, nel monitoraggio della differenza tra la potenza immessa sul link in continua, da parte del nodo GU tramite il generatore, e quella richiesta dai motori di trazione alle ruote. A seconda delle richieste istantanee del guidatore e dello stato di carica del sistema di accumulo combinato, GU deciderà di settare la coppia del termico (quindi la potenza) e le sue accensioni/spegnimenti. I microprocessori che controllano i convertitori dei nodi comunicano tra loro attraverso un canale meglio noto come bus. La comunicazione deve essere il più possibile esente da disturbi esterni nonché essere gestita secondo un protocollo che abbia una alta diagnostica interna per eventuali errori che potrebbero occorrere. Tale compito lo assolve ottimamente il bus CAN (Controller Area Network) ed è stato scelto come bus per l’elettronica di potenza del veicolo HOST.

Infine sono presenti i quattro azionamenti di trazione, relativi ai quattro motori sincroni a magneti permanenti collegati alle ruote del veicolo, i quali hanno un proprio bus dove transitano le informazioni relative al controllo della trazione alla ruota e quelle concernenti la percentuale di frenatura rigenerativa da praticare. Il bus del controllo dei motori di trazione alle ruote è a 24 V con massa separata dal CAN per evitare il propagarsi di eventuali disturbi tra i due sistemi di comunicazione. Le informazioni che dovranno condividere questi bus sono anche inerenti a procedure che devono essere messi in atto in situazioni straordinarie, infatti qualora il System Manager rilevasse che il sistema di accumulo combinato sia completamente carico esso dovrà avvertire il circuito di comunicazione del bus del livello della trazione alle ruote in modo da non praticare la frenatura rigenerativa, evitando così danni seri. Si fa notare che questa è una procedura di sicurezza perché il sistema di accumulo è concepito con un algoritmo di controllo che lavora in modo di restare sotto la capacità massima di accumulo per poter sempre recuperare parte dell’energia con la frenatura rigenerativa. La scelta di motori a magneti permanenti è attualmente molto usata nella trazione automobilistica ibrida e puramente elettrica poiché questi motori forniscono coppie per unità di volume più alte rispetto alle altre macchine. Quindi a pari volume del motore abbiamo coppie (o potenze dato che il termico lavora a “punto fisso”) in uscita maggiori e per una data corrente (quindi fissata la coppia) minori perdite per effetto joule data l’assenza del circuito rotorico. E’ anche noto che il comportamento di queste macchine è analogo alle macchine in corrente continua in termini di caratteristiche di coppia e regolazione della velocità con il grande vantaggio di non avere le spazzole ed effettuando la commutazione tramite convertitori statici: La macchina elettrica a magneti permanenti è collegata al motore a combustione interna senza riduttori, quest’ultimo è il 3 cilindri della SMART diesel 800cc.

Per poter incrementare l'efficienza del sistema di propulsione è necessario avere un sistema di accumulo di energia che, insieme all’unità di generazione GU, possa soddisfare le richieste dell’azionamento. Ovviamente il principale requisito di un sistema di accumulo deve essere la sua affidabilità in termini di durata quando è sottoposto a cicli continui di carica e scarica. In HOST è presente un sistema di accumulo combinato quindi oltre un pacco batterie è presente un pacco condensatori che si prendono carico di richieste energetiche con dinamiche veloci. Le batterie ed i supercondensatori differiscono per alcune caratteristiche e per la precisione sono gli uni il complementare degli altri, infatti le prime hanno una elevata capacità di immagazzinare energia (kWh) mentre i secondi hanno un’elevata densità di potenza (kW/dm3) e presentano quindi un’ ottima capacità nel fornire veloci risposte nei transitori rapidi come ad esempio accelerazioni e frenate. Poiché l’unità di generazione GU lavora a punto fisso in una zona ad alto rendimento essa è dimensionata per sopperire alla potenza media richiesta nella marcia dal veicolo, il sistema di accumulo dovrà essere in grado quindi di immagazzinare energia che poi dovrà rendere disponibile per la trazione qualora si verificassero dei picchi di richiesta e pertanto sarà dimensionato in base a tali punte di carico. Entrando più in dettaglio con l’elettronica di potenza di HOST, si è già accennato alle tre unità fondamentali presenti nel veicolo ibrido in esame:

  • Generation Unit GU
  • Battery Unit BU
  • Ultracapacitors Unit UC

I componenti del power trainModifica

Internal Combustion EngineModifica

Il motore a combustione interna è il 3 cilindri della SMART diesel 800cc, il quale nel range di velocità tra i 1700-1800 rpm è capace di fornire tutta la gamma di potenze richieste dal veicolo che sono state stimate essere comprese tra 4,5kW (25% della P ) e 13,5kW (75% della P ) con alta efficienza sia come consumi che come emissioni.

Batterie aglio Ioni di LitioModifica

La tipologia di batterie utilizzate nel veicolo HOST 2.0 è quella agli Ioni di Litio. Tra i vantaggi di questo tipo di batterie ci sono: l’ elevata densità di energia a parità di volume e di peso installato a bordo del veicolo e l’elevato di cicli di carica/scarica. La densità di energia per queste batterie è approssimativamente di 150 Wh/kg e 400 Wh/lt.

SupercondensatoriModifica

I Supercondensatori accumulano energia elettrica in due condensatori serie a doppio strato elettrico EDL ( Elettrochemical Double Layer ) disponendo le cariche elettriche all'interfaccia elettrodo/elettrolita in modo “fisico” e non chimico, non si hanno dunque processi chimici di ossido-riduzione, come negli accumulatori (batterie ricaricabili) e presentano il vantaggio di poter essere caricati o scaricati istantaneamente, garantendo così un'elevata potenza specifica. Sono dispositivi di conversione ed accumulo dell'energia caratterizzati da elevate potenze specifiche ed energie di gran lunga superiori rispetto ai condensatori convenzionali. Lo svantaggio più rilevante, sempre rispetto agli accumulatori chimici, è la bassa energia immagazzinata.

Tecnologia delle batterie NiMH unita all’uso dei SupercondensatoriModifica

L'uso della tecnologia delle batterie al NiMH, utilizzate nella prima versione di HOST, unita all’uso dei Supercondensatori consente di migliorare l'affidabilità del sistema di accumulo in termini di durata quando è sottoposto a cicli continui di carica e scarica. Si ricorda che le batterie ed i super-condensatori differiscono per alcune caratteristiche che li rendono complementari, infatti le prime hanno una elevata capacità di immagazzinare energia (kWh) mentre i secondi hanno un’elevata densità di potenza (kW/dm3) e presentano quindi un’ ottima capacità nel fornire veloci risposte nei transitori rapidi come ad esempio accelerazioni e frenate.

L'uso dei supercondensatori abbinato a quello delle batterie ( NiMH ) è ottimale in quanto risulta essere di supporto al funzionamento delle batterie che così non essendo”stressate” hanno un miglior funzionamento e un autonomia maggiore. E’ bene evidenziare che l'uso abbinato delle due tecnologie precedentemente descritte può essere applicato alle diverse connessioni ibrido serie, ibrido parallelo e ibrido serie-parallelo.

Il sistema Drive By WireModifica

Il "drive by wire" (DBW) trova la sua prima applicazione automobilistica nel controllo della potenza erogata dal motore, che così non viene più controllata direttamente (un semplice cavo in acciaio che apre o chiude le valvole di laminazione dell'impianto di iniezione), ma attraverso un sistema indiretto che, collegato all'acceleratore, aziona un potenziometro; questo strumento a sua volta trasmette ad una centralina elettronica l'informazione relativa alla richiesta di potenza veicolata dall'acceleratore, grazie a un calcolo di quanto il pedale è stato premuto. Questa informazione viene elaborata insieme a una serie di altri dati (quali per esempio la velocità relativa delle ruote, l'accelerazione trasversale e assiale cui è sottoposto il veicolo, l'angolo di sterzata, la temperatura esterna, i carichi sugli ammortizzatori, l'angolo di imbardata e rollio oltre a numerosi altri parametri) e ritrasmessa a un servomotore che provvede a far ruotare le valvole di laminazione del sistema di iniezione in maniera tale da evitare perdite di aderenza dovute ad una eccessiva coppia applicata sulle ruote motrici. In sostanza, la centralina elettronica risponde all'esigenza di un'erogazione di potenza ottimale, cercando di soddisfare la richiesta dell'utente attraverso l'acceleratore e i limiti fisici del veicolo nelle condizioni che si verificano in un determinato istante.

In HOST il l’interfaccia del guidatore è stata rivisitata da un sistema di regolazione della sterzata delle ruote mediante pedali. L'interfaccia di guida è descritta come una MMI (Man Machine Interface ) ed ha due funzioni principali :

  • Wheel Speed – velocità della ruota (trazione);
  • Wheel Steering – sterzata della ruota.

TranshipmentModifica

L’uso di uno chassis unico comporta la creazione di una piattaforma di base di che può essere utilizzata per diverse tipologie di veicolo. Negli ultimi anni nel mercato automobilistico si è diffusa la tendenza di produrre pezzi quali ad esempio cambi meccanici,che potessero essere utilizzati per diversi modelli di veicoli e di marche automobilistiche. Il vantaggio dell’uso di un unico telaio è quello di non rendere necessario un processo di “adattamento” del pezzo al veicolo nel quale si sceglie di installarlo,poiché il basamento del veicolo è il medesimo per veicoli atti al soddisfacimento di scopi differenti,inoltre si ipotizza una standardizzazione anche nel processo di produzione del telaio stesso che comporterebbe un abbassamento del prezzo del pezzo. Ad HOST è applicabile un concetto di “modularità” di potenza del veicolo: grazie, infatti, ai motori ruota è possibile aggiungere un “retrotreno di potenza”, che comprende due motori ruota, al power train di base ottenendo così un veicolo caratterizzato da una potenza maggiore. In questo modo HOST può adempiere a servizi differenti che richiedono potenze superiori. Di seguito si propongono immagini che evidenziano il concetto “modulare” di telaio unico per veicoli che soddisfino più scopi realizzato per HOST:

Motori RuotaModifica

I motori ruota sono una delle soluzioni più interessanti per i veicoli a trazione elettrica in quanto liberano completamente il corpo vettura dal resto e quindi si riduce l’ingombro del gruppo motore/trasmissione. Si tratta di motori discoidali alloggiati nel cerchio e integrati con il sistema frenante. Di fatto è l’intero propulsore a ruotare, mentre l’albero motore è fissato al corpo vettura.

InverterModifica

I dati di targa del convertitore, elemento di elettronica di potenza, seguono direttamente dalla dimensionamento del motore elettrico e del collegamento al dc-link. La struttura di questo elemento è la seguente: tre fasi con sorgente di tensione dell'inverter IGBT (3 tel. IGBT inverter VSI), questa struttura è standard per l'alimentazione del flusso assiale in un motore a magneti permanenti. L'IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un dispositivo pilotato da un gate da una parte e dall'altra ha un collettore e un emettitore. Viene usato per commutare alte tensioni e alte correnti; i modelli più grandi sono capaci di commutare 1200A su tensioni di 6000V. L'unica avvertenza che deve essere presa in considerazione è il fatto che il convertitore non permettere alcun tipo di sovraccarico; quindi gli inverter hanno bisogno di essere dimensionati per la massima tensione e corrente richiesti.

Inoltre, al fine di risparmiare spazio e peso all'interno del veicolo, un ulteriore requisito è che l'inverter debba essere raffreddato a liquido. Al momento attuale, non vi è alcun inverter commerciale disponibile sul mercato che soddisfi i requisiti sopra citati e che sia dunque adatto per essere installato su si un veicolo. In realtà , vi sono vari prototipi di inverter disponibili per essere utilizzati su veicoli ibridi, ma nessuno di questi è, ovviamente, in vendita.

E’ stato infatti realizzato un processo di adattamento "ad hoc" per ottenere le caratteristiche richieste.

SospensioniModifica

Le sospensioni sono del tipo a doppio Braccio con secondo braccio McPherson,il braccio interno è ancorato fisso e ha la possibilità di ruotare su sé stesso,il braccio esterno funziona come un classico McPherson e viene trascinato nella rotazione dal braccio interno (90°).

La rotazione a 90° è realizzata da due attuatori. Il risultato di questa attività è un “wheel corner” modulare concepito con un minimo impatto sul design del telaio e con la possibilità di essere fissato in ogni posizione del veicolo e con un numero assai limitato.

Collegamenti esterniModifica



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