Studio di un azionamento brushless di tipo predittivo per la trazione in un veicolo elettrico ibrido

Nel campo dell’automotive, negli ultimi anni, gli sviluppi sono stati consistenti: infatti sono state introdotte sul mercato molte novità, tra le quali vetture con propulsione elettrica o ibrida. Il controllo del motore termico durante il moto è studiato da moltissimi anni, mentre il controllo di un motore elettrico è tuttora in fase di continua ricerca e sviluppo. Infatti, con l’introduzione di tecniche vettoriali, si sono ottenuti notevoli miglioramenti a livello di qualità di utilizzo del motore elettrico stesso. In particolare, l’introduzione di un nuovo metodo di controllo che prende il nome di “controllo predittivo” cerca di ottimizzare ulteriormente la propulsione elettrica. Oggetto di studio in questa tesi è il controllo predittivo implementato per la regolazione delle correnti di statore in un motore brushless. Dopo una presentazione di carattere generale, che spazia dalle tipologie di vetture elettriche alle batterie utilizzate a bordo, passando dai vari tipi di propulsori elettrici verosimilmente utilizzabili, viene descritto, a livello teorico, il sistema utilizzato nelle simulazioni in questa tesi, prestando particolare attenzione alla macchina sincrona brushless a magneti permanenti ed al suo controllo vettoriale oltre che alla tecnica per un corretto deflussaggio. Successivamente sono descritti il controllo predittivo di corrente utilizzato nelle simulazioni, con un occhio di riguardo alla compensazione del ritardo di calcolo necessario per ottimizzare ulteriormente il controllo del motore di trazione elettrico, e la modellizzazione del veicolo elettrico ibrido in ambiente Simulink di Matlab, rimandando alle Appendici A e B per la eventuale consultazione dei codici implementati. Infine sono presentati i risultati ottenuti con vari tipi di prove per verificare se effettivamente il veicolo esegue ciò che è richiesto.

Simulazione e controllo di un motore brushless sinusoidale

Nel presente elaborato si prende in esame il modello di un motore sincrono a magneti permanenti alimentato in bassa tensione, avente BEMF sinusoidale, ed il suo sistema di controllo. Nella trattazione, viene studiato il comportamento del motore sulla base delle equazioni caratteristiche della macchina e del controllo ad orientamento di campo, così da poter mettere in luce i parametri che influenzano direttamente le prestazioni oggetto di interesse in ambito industriale e di ricerca. Si illustra, inoltre, la costruzione di un modello del motore e del suo controllo, considerando il motore s602b402 prodotto da SIBONI, in ambiente di simulazione. Tale modello permetterà di osservare la risposta della macchina ai più comuni ingressi forniti dall’utente, quali posizione e velocità, sulla base della taratura dei regolatori del sistema di controllo. A questo proposito, l'elaborato spiega come ottenere i parametri di macchina, necessari per la simulazione e per identificare il modello del motore, attraverso le prove sperimentali e quali differenze emergono tra i risultati ottenuti dall’ambiente di simulazione e quelli al banco. Questo consente, infine, di verificare l’attendibilità del modello e di fornire spunti per poterne migliorare i risultati in vista di sviluppi futuri.

Gamification e Machine Learning per migliorare l’esperienza di guida e diminuire i consumi in un veicolo elettrico

Questo progetto di tesi è parte di un programma più ampio chiamato TIME (Tecnologia Integrata per Mobilità Elettrica) sviluppato tra diversi gruppi di ricerca afferenti al settore meccanico, termofluidodinamico e informatico. TIME si pone l'obiettivo di migliorare la qualità dei componenti di un sistema powertrain presenti oggi sul mercato progettando un sistema general purpose adatto ad essere installato su veicoli di prima fornitura ma soprattutto su retrofit, quindi permettendo il ricondizionamento di veicoli con motore a combustione esistenti ma troppo datati. Lo studio svolto si pone l'obiettivo di identificare tutti gli aspetti di innovazione tecnologica che possono essere installati all'interno del sistema di interazione uomo-macchina. All'interno di questo progetto sarà effettuata una pianificazione di tutto il lavoro del gruppo di ricerca CIRI-ICT, partendo dallo studio normativo ed ergonomico delle interfacce dei veicoli analizzando tutti gli elementi di innovazione che potranno far parte del sistema TIME e quindi programmare tutte le attività previste al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati, documentando opportunamente tutto il processo. Nello specifico saranno analizzate e definite le tecniche da utilizzare per poi procedere alla progettazione e implementazione di un primo sistema sperimentale di Machine Learning e Gamification con lo scopo di predire lo stato della batteria in base allo stile di guida dell'utente e incentivare quest'ultimo tramite sistemi di Gamification installati sul cruscotto ad una guida più consapevole dei consumi. Questo sistema sarà testato su dati simulati con l'obiettivo di avere un prodotto configurabile da installare sul veicolo.

Sviluppo di un modello Simulink per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria

Obiettivo di questo progetto di tesi è la realizzazione di un modello per la gestione termica di un veicolo elettrico a batteria: l’elettrificazione in ambito automotive richiede un approfondito studio delle problematiche termiche allo scopo di incrementare l’efficienza del veicolo, le performance e la vita della batteria. In particolare, l’oggetto di ricerca consiste nella modellazione di una pompa di calore. Partendo dalla definizione dei requisiti e degli obiettivi del sistema di gestione termica, ogni componente della pompa di calore viene analizzato modellato e connesso all’intero sistema. La modellazione è stata affrontata mediante l’utilizzo dell’ambiente MATLAB/Simulink. Il primo passo è stato avanzato nell’analisi del ciclo termodinamico ideale, analizzando il comportamento di vari fluidi frigorigeni, la funzionalità dei singoli componenti e l’interazione di quest’ultimi al variare delle condizioni di funzionamento, principalmente potenze scambiate, pressioni, temperature e portata massica di refrigerante. Il principale lavoro di simulazione è legato alla realizzazione di un modello configurabile dell’intero apparato di gestione termica della batteria per un veicolo elettrico. Per mezzo dello studio delle relazioni termodinamiche dei componenti principali del ciclo frigorifero sono state valutate tutte le grandezze che variano durante le trasformazioni che compie il fluido refrigerante all’interno del ciclo frigorifero. L’attività di validazione del modello implementato è stata svolta mediante il confronto tra le condizioni del fluido refrigerante determinate mediante le relazioni termodinamiche e quelle ottenute valutando le trasformazioni sui diagrammi di stato dei fluidi frigorigeni trattati. Il modello implementato è da ritenersi primordiale nel contesto legato alla modellazione e controllo dei sistemi di gestione termica per i sistemi propulsivi dei veicoli elettrici a batteria.

Modellizzazione dinamica di un motore brushless DC per uso propulsivo su droni

Studio e realizzazione di un modello dinamico, in Simulink, del sistema propulsivo di un aeromodello, dotato di un autopilota e di un'elettronica di bordo. Tali caratteristiche consentono al drone di effettuare delle operazioni di volo in piena autonomia.

Analisi fem, simulazione e sperimentazione di un azionamento brushless con convertitore boost integrato per DC fast charge

L'elaborato analizza il funzionamento di un integrated boost converter, operante come sistema di interfaccia per la ricarica di un veicolo elettrico operante a 800V con la colonnina di ricarica a 400V. Il convertitore utilizza le fasi dell'azionamento di trazione come induttanze di filtro. Mediante un’analisi agli elementi finiti sono stati estratti i parametri del motore elettrico di un veicolo stradale operante a 800V. Il funzionamento del convertitore è studiato in ciascuna delle configurazioni proposte in ambiente Simulink. Poi, sono state individuate le posizioni che permettono il funzionamento ottimale del sistema ed infine sono state eseguite le prove a banco per verificare le previsioni dei modelli matematici dell'integrated boost converter. Si è quindi ottenuta una configurazione dell'azionamento a bordo del veicolo che permette il trasferimento di energia tra batteria e colonnina di ricarica a tensione inferiore, seppur siano richiesti sviluppi futuri per poter avere una ricarica completa della batteria.

Dimensionamento dell'azionamento elettrico di un piano vibrante

Questo elaborato riguarda il dimensionamento di un motore brushless lineare utilizzato in un piano vibrante per l’alimentazione di fiale, flaconi e carpule in macchine per il packaging farmaceutico: in particolare con questo piano vibrante si alimentano macchine astucciatrici e termoformatrici. Con packaging farmaceutico si intente tutto ciò che comporta il confezionamento di prodotti legati al mercato farmaceutico, ma macchinari simili soddisfano anche il mercato per il confezionamento di prodotti alimentari e cosmetici. Il piano vibrante descritto nella trattazione, svolge sia la funzione di alimentazione del prodotto nella macchina, sia quella di buffer. La tesi è stata svolta all’interno di Marchesini Group S.p.a., gruppo industriale fondato nel 1974 che vanta una posizione di livello mondiale nel settore delle macchine automatiche: in particolare si occupa dell’automazione per packaging nel settore farmaceutico, cosmetico e alimentare. Avendo dovuto fare un intervento di sostituzione di un motore su un gruppo già in funzione, nella riprogettazione dei particolari si è cercato di apportare il minor numero di modifiche possibile, per minimizzare il numero di pezzi da sostituire qualora un motore in funzione si rompa o venga danneggiato. Questo studio mi ha dato la possibilità di approfondire diversi aspetti della progettazione meccanica: in particolare ho avuto la possibilità di utilizzare Creo Parametric, il programma di disegno 3D usato in Marchesini, e quindi approfondire molteplici aspetti e regole del disegno e della messa in tavola. Insieme a questo, oltre a studiare le diverse tipologie di motori lineari ho potuto approfondire i metodi di scelta di un motore lineare, consultando anche i fornitori.

Design e simulazione di un convertitore DC-DC per applicazioni automotive implementato mediante tecnologia GaN

L’obiettivo dell’elaborato è quello di presentare una soluzione di collegamento ed interfacciamento tra il supercondensatore (SC) dell’HESS (sistema ibrido di accumulo dell’energia situato all’interno di un veicolo elettrico) e il DC-link (bus che fornisce la potenza necessaria all’inverter che pilota il motore elettrico) attraverso un convertitore DC-DC ad alta efficienza che utilizzi tecnologie di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il convertitore presentato è un convertitore DC-DC bidirezionale in configurazione Half-Bridge, esso dovrà funzionare in modalità Boost, ogni qualvolta il motore richieda energia extra dal SC, in modalità Buck per ricaricare il SC durante la frenata rigenerativa. In seguito ad un’introduzione ai veicoli elettrici, alla loro architettura e al perché il SC è così fondamentale, verrà presentata una breve introduzione ai convertitori di potenza (Capitolo 1). Si passerà poi alla presentazione delle tecnologie GaN mostrando come esse rappresentino il futuro dell’elettronica di potenza grazie ai loro numerosi vantaggi (Capitolo 2). Nel capitolo 3 si entrerà nel vivo della progettazione, è qui che sarà progettata ed implementata la soluzione proposta. Verrà effettuata una prima simulazione del circuito, tenendo conto degli effetti parassiti dei soli componenti, attraverso l’ausilio del software LTSpice. Il Capitolo 4 prevede una breve introduzione alle tecniche di layout, utili nella costruzione del circuito stampato presentata all’interno del medesimo capitolo. Il PCB sarà modellato mediante un secondo software denominato KiCAD. Infine, nel Capitolo 5, si procederà con la simulazione elettromagnetica del circuito stampato, essa permetterà di individuare gli effetti parassiti dovuti alle non idealità del layout e di mostrare l’effettiva differenza di efficienza tra un caso semi-ideale e un caso semi-reale.

Progetto di scheda a microcontrollore per la telemetria di veicoli elettrici

In un'epoca in cui l'informatizzazione si diffonde a macchia d'olio in ogni aspetto della vita quotidiana e la possibilità di essere connessi ad internet risulta vitale per aggiornarsi o anche semplicemente per mantenere contatti è possibile e allo stesso tempo necessario cercare di sfruttare la rete nel migliore dei modi in ambito lavorativo, per migliorare i propri prodotti e cercando di offrire all'utente beni e servizi sempre migliori, al passo coi tempi e col pensiero moderno. É in questo ambiente che la connettività si rende necessaria anche nel settore dell'automobile in modo da gestire in maniera efficiente l'enorme quantità di dati scambiati dalle varie sottoparti del sistema il cui compito è quello di supervisionare i componenti elettronici e meccanici. L'obiettivo è quello quindi di centralizzare ed elaborare le informazioni in modo da semplificare ed ottimizzare la gestione del veicoli per ottenere importanti vantaggi dalla fase di test fino a quella di utilizzo, passando per quella di manutenzione. Per questo risulta fondamentale, nell'epoca in cui viviamo, concedere la possibilità al veicolo di interagire con la rete internet in modo da poter sfruttare tutti i vantaggi comunicativi, siano essi con l'ambiente circostante o con persone, che essa prevede. Una volta quindi trovato il modo di interfacciarsi con la rete e sviluppato un software adeguato è fondamentale implementare fisicamente il dispositivo in modo da ottenere un dispositivo altamente integrabile nel sistema veicolo in modo da non alterare in maniera significativa la disposizione dei componenti di base (meccanici, elettrici ed elettronici) dell'automobile elettrica. È in quest'ottica che s'inserisce il progetto di una scheda per una vera e propria telemetria del veicolo elettrico con l'obiettivo di ottenere un sistema ad hoc, ma che mantenga una molteplicità di interfacce che permettano al dispositivo di rimanere aggiornato con l'evoluzione in atto relativa alle tecniche e ai protocolli (standard) di comunicazione permettendo quindi comunicazioni tramite rete ethernet, Wi-Fi o GPRS, cercando anche di sfruttare sistemi di posizionamento come il GPS. Per questo motivo si è cercato di realizzare la scheda seguendo la filosofia dei sistemi embedded, architetture il cui compito è quello di eseguire operazioni molto specifiche spesso con vincoli sull'esecuzione in tempo reale. Questo permette di ridurre al minimo l'hardware in termini di spazio, consumo e costo di realizzazione. Queste dispositivi si sono evoluti recentemente virando sulla creazione di architetture modulari che permettono il riutilizzo delle risorse disponibili; in questo modo si ottengono comunque dispositivi ottimizzati ma in grado di mantenere un certo tipo di flessibilità nello sviluppo delle applicazioni e allargando quindi lo spettro dei possibili impieghi. Secondo questi principi si è cercato quindi di realizzare la scheda in modo che implementasse e realizzasse il software dedicato alla comunicazione del veicolo con internet ma che, grazie all'hardware a disposizione, potesse essere programmata da mani esperte anche per numerosi utilizzi alternativi e resa quindi disponibile all'utente finale in possibili forme. In questo è risultato fondamentale l'utilizzo della piattaforma Arduino, basata sul microcontrollore ATmega328, che permette appunto una rapida espansione fisica del sistema.

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z per veicoli elettrici

Studio e simulazione di un inverter di tipo Z in grado di innalzare il valore della tensione fornita dalla sorgente fino alla tensione richiesta al carico. L'inverter Z-source può essere utilizzato convenientemente nell'azionamento di un veicolo elettrico, in particolare ad idrogeno.

Sviluppo di un'applicazione mobile per la valutazione di sostenibilità della mobilità personale mediante veicoli elettrici

La sempre minore disponibilità di combustibili fossili e il crescente inquinamento ambientale, hanno incentivato non solo la ricerca di fonti alternative di energia, ma anche lo sviluppo di nuove tecnologie che ci permettessero di sfruttarle. Non solo sono stati sviluppati pannelli solari e paleoliche, che ci permettono di ottenere energia rinnovabile; ma anche i "comuni" strumenti sono stati modificati per far fronte a queste esigenze. Tra le più importanti innovazioni, lo sviluppo delle auto elettriche è quella che ha riscosso più interesse. Nonostante gli ingenti investimenti iniziali però, l'immissione nel mercato non sta riscuotendo il successo sperato. Uno dei maggiori limiti riscontrati è quello che viene definito Range Anxiety, ovvero la paura che il veicolo elettrico (EV) non abbia abbastanza autonomia per garantire al conducente il raggiungimento della meta. Inoltre il tutto viene amplificato dai lunghi tempi di ricarica delle batterie e l'elevato costo degli EV. Per arginare questi problemi, in questo documento viene descritto lo sviluppo di un applicazione Android (WhatIfApp - WIA) per la valutazione della sostenibilità di un viaggio, facendo visualizzare all'utente i tempi di percorrenza (ottimizzati) e i consumi, che un EV dovrebbe affrontare in determinati percorsi. In particolare, ne viene spiegato l'utilizzo, le funzionalità, le scelte implementative e le future estensioni.

Progettazione e sviluppo di una applicazione mobile per il route planning con veicoli elettrici

L'indipendenza dai combustibili fossili è uno degli argomenti maggiormente trattati negli ultimi anni e lo sviluppo di tecnologie atte a produrre energia attraverso fonti rinnovabili è uno dei punti cruciali della ricerca moderna. L'utilizzo dei veicoli elettrici nel quotidiano rappresenta una delle vie principali per l'abbandono delle fonti non rinnovabili, tuttavia siamo ancora in presenza di qualche limite. Una delle principali ragioni per cui gli automobilisti sono restii ad utilizzare le auto elettriche è quella che in inglese viene definita Range Anxiety, ossia la preoccupazione di non riuscire a raggiungere la propria meta con l'autonomia residua del veicolo. Altri fattori che contribuiscono a scoraggiare gli automobilisti sono i lunghi tempi di ricarica e dove effettuare queste ultime. Per cercare di ridurre queste problematiche nel seguente elaborato viene descritto lo sviluppo di un applicazione per sistema Android, con lo scopo di simulare dei percorsi inseriti dall'utente come se venissero effettuati utilizzando un veicolo elettrico: l'applicativo, sfruttando un servizio esterno fornirà all'utente tutti i dati del percorso, come ad esempio dove effettuare una ricarica. Di seguito viene illustrato l'utilizzo dell'applicativo, la sua architettura, come è stato sviluppato e le sue future estensioni.

Integrazione delle infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici nelle reti di distribuzione dell'energia elettrica

La tesi tratta le tecniche Vehicle-to-Grid (V2G) per l'interfacciamento deli sistemi di ricarica dei veicoli elettrici alla rete. Si analizzano le problematiche che una connessione non controllata può causare e come si può risolvere questo problema. Segue un'analisi dei servizi ausiliari che il sistema V2G è in grado di fornire alla rete di distribuzione e la presentazione di una strategia di regolazione della tensione e della frequenza (SFVR). Infine viene mostrata l'applicazione del sistema V2G che si può ottenere integrando la struttura di ricarica di un veicolo elettrico all'impianto elettrico domestico.

Stazioni di ricarica di veicoli elettrici: caratteristiche e regole della connessione

Oggetto della tesi sono i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici, in particolare la diffusione in Europa delle stazioni di carica, i metodi di carica le caratteristiche della connessione del veicolo alla stazione, e della stazione alla rete pubblica di distribuzione. La tesi illustra lo stato dell’arte dei sistemi di ricarica, le norme relative, sia tecniche che di legge, l’interfaccia di connessione fra veicolo elettrico e stazione di ricarica, ancora oggetto di discussione e non ancora unificato a livello europeo. La tesi affronta anche i sistemi di protezione previsti dalla norma tecnica per la sicurezza delle persone dai contatti elettrici. La tesi contiene inoltre cenni al sistema di comunicazione tra veicolo e stazione di ricarica, e alla crescente attenzione della ricerca internazionale per le tecniche “vehicle to grid”.

Progetto per il monitoraggio e l'assistenza alla guida in contesti automotive

Nel panorama dell’automotive negli ultimi decenni si sono moltiplicate le normative nazionali, europee e mondiali per ridurre l'impatto socio-economico derivato dall’alto numero di sinistri stradali. Dall’analisi dei dati è emerso che una delle cause più impattanti dei sinistri è la distrazione: sono stati estrapolati i fattori che la inducono e raggruppati nelle macro-categorie di disattenzione, inattenzione, sonnolenza e stati mentali alterati. TESSA (Tecnology EEG Safety System Automotive) propone un approccio di assistenza alla guida che sfrutta le onde cerebrali del conducente, costantemente monitorate da un auricolare EEG, rileva fattori problematici e interviene con un’assistenza vocale considerando reazioni e necessità dell’utente, gravità della problematica e tempo di reazione necessario. Interagendo con il conducente TESSA sfrutta le tecnologie disponibili per comunicare il pericolo e condurre l’utente verso un’adeguata ripresa della guida. Il progetto è stato sviluppato considerando un target con un alto impatto sulla quantità dei sinistri stradali e che ricoprisse un notevole ruolo sociale: la fascia d’età più idonea su cui intervenire è 18-25 anni, un target ancora inesperto alla guida e adatto a recepire e promuovere lo scenario dell’automotive in veloce trasformazione verso un futuro sempre più orientato alla prevenzione e alla connettività. Seppur lo studio del concept sia rivolto principalmente a una popolazione giovanile TESSA è in grado di adattarsi a qualsiasi fascia d’età perché progettata per soddisfare le necessità del singolo conducente e della singola problematica, e può guidarlo nella ripresa del controllo della guida intervenendo al variare delle onde cerebrali. L’approccio di intervento mediato con l’assistenza vocale permette all’utente di mantenere il controllo del veicolo: TESSA non sostituisce il conducente ma mira a renderlo consapevole del rischio di pericolo e pronto a intervenire in prima persona in modo cosciente e adeguato.