Il Prototipo

Premessa

Durante questo progetto, sarà sviluppato e sperimentato un prototipo di veicolo ibrido solare, provvisto di un motore termico, motore e generatore elettrico, batterie e pannelli fotovoltaici. Il processo di progettazione, assemblaggio e sperimentazione sarà presentato su questo sito, con particolare attenzione agli aspetti didattici. Sarà possibile seguire le varie fasi del progetto attraverso la roadmap e la galleria delle foto. Entro il termine di chiusura del progetto, il prototipo sarà sperimentato e presentato agli organi di informazione.

La scelta

Nella prima fase del progetto sono state esaminate le diverse possibilità per giungere a costruire il prototipo. Innanzitutto, si è valutato se costruire un veicolo ex novo oppure sviluppare il lavoro a partire da un veicolo esistente. La prima soluzione, se pur più in teoria attraente, non risultava realisticamente praticabile e compatibile con limiti di tempo e di budget. La seconda soluzione offriva peraltro il vantaggio di una maggiore applicabilità degli studi svolti. Una volta scelta questa opzione, si doveva decidere da quale tipo di veicolo partire: da un kart, a motore o elettrico, oppure da un veicolo, a motore o elettrico. Tra queste ipotesi, si è optato per la scelta di un veicolo elettrico esistente come base di sviluppo per il prototipo.

La Struttura

Questa scelta è sembrata la più adatta allo sviluppo di un veicolo con una struttura del tipo "Ibrido Serie". In questo caso, le ruote sono azionate direttamente dal solo motore elettrico (EM/EG), che può funzionare anche da generatore durante le fasi di frenata (frenata rigenerativa), proprio come in un veicolo elettrico. I pannelli solari (PV) ed il sistema motore/generatore (ICE/EG) concorrono ad alimentare il motore elettrico o a ricaricare la batteria (Battery), in funzione delle strategie definite dal sistema di controllo (Vehicle Management Unit, VMU). Maggiori dettagli sono disponibili alla sezione Simulatore on-line.

Struttura di un Ibrido Serie.

Il veicolo elettrico

La scelta è caduta sul "Porter Glass Van" della Microvett, un veicolo utilizzato per il trasporto leggero prevalentemente nelle aree urbane e protette, grazie all'assenza di emissioni gassose ed acustiche. Un esemplare di "Porter Glass Van" è stato fornito al gruppo di ricerca all'Automobile Club Salerno, sponsor del progetto.

Donazione del veicolo Porter Glass Van al Gruppo di Ricerca da parte del ACS

Questo veicolo offre la possibilità di alloggiare un'ampia superficie di pannelli fotovoltaici sul tetto, mentre il vano di lavoro posteriore consente di alloggiare comodamente il sistema motore/generatore ed i sistemi di controllo. Il sistema propulsivo è caratterizzato da un motore elettrico alimentato da un sistema di batterie posizionate nella parte inferiore dell'abitacolo. Il motore elettrico è accessibile tramite il sollevamento del sedile del guidatore.

Il vano posteriore

Il motore elettrico

L'albero di trasmissione

Dati tecnici del veicolo elettrico

Si riportano di seguito i dati tecnici dell'autovettura e le specifiche del veicolo in termini di lunghezze caratteristiche, volumi di ingombro, disposizione delle masse, potenza erogata dalle batterie ecc.

Dimensione	metri
A	3.560
B	1.395
C	1.870
D	1.810
F	0.540
G	0.793

I pannelli fotovoltaici

Anche per quanto riguarda i pannelli fotovoltaici si sono dovute operare delle scelte:

• Che tipo di pannelli usare? Al fine di studiare una soluzione concretamente realizzabile, si è scelto di utilizzare pannelli al silicio policristallino di normale produzione, piuttosto che pannelli ad alto rendimento quali quelli ad arseniuro di gallio, caratterizzati da prestazioni migliori ma da costi molto elevati.
• Un pannello unico o molti pannelli più piccoli? Si è scelta questa seconda strada per poter ottimizzare il controllo di ogni singolo pannello in funzione delle sue condizioni di insolazione e temperatura, che possono variare da pannello a pannello.
• Come montare i pannelli sul veicolo? Integrandoli nel tettuccio, o prevedendo un supporto esterno? La prima soluzione offre una migliore aerodinamica ed è forse esteticamente più gradevole. La seconda soluzione offre maggiore elasticità di lavoro in fase di progetto e si presta a soluzioni innovative, quali l'orientazione dei pannelli in funzione della posizione del sole, durante le fasi di parcheggio. La scelta è caduta sul supporto mobile, anche per il peso relativamente limitato che le perdite aerodinamiche giocano per il veicolo in esame, a causa delle velocità piuttosto ridotte. Un supporto in alluminio, provvisto di due snodi per poter seguire il profilo del tetto, è stato realizzato dalla ditta Saggese, e donato al gruppo di ricerca.

Il gruppo motore/generatore Lombardini

Come prima opzione, abbiamo lavorato attorno ad un sistema moto-generatore offerto da Lombardini: un bicilindrico a benzina, con una potenza di 15 KW e dotato di raffreddamento ad acqua. Una soluzione caratterizzata da un rapporto peso/potenza favorevole, da una potenza adeguata alle esigenze del veicolo e da una notevole compattezza.

Schema del sistema moto-generatore Lombardini	Curve di coppia, potenza e consumo specifico

 

I principali dati tecnici del sistema moto-generatore sono riassunti nella tabella sottostante:

Lombardini 500cc LGW523 ENGINE Max power 15 [kW] @ 5000 [rpm] 3 phase induction MACHINE 15 [kW] power rated 0 - 6000 [rpm] speed range 200 - 400 [V] DC voltage range 100 [A] DC max current

Sistema Moto-Generatore Lombardini - Dati tecnici

Per smaltire la potenza termica per il raffreddamento, è stato ripristinato il radiatore originariamente montato sul porter e sono stati effettuati i relativi collegamenti, presso i Laboratori CIMEP. Sono state inoltre realizzate le prese per l'aria di alimentazione ed i collegamenti per lo smaltimento dei gas di scarico.

Il gruppo moto-generatore Lombardini	Il generatore viene montato a bordo del veicolo	Fasi della lavorazione presso i laboratori CIMEP

La scelta di questa soluzione ha però fatto emergere alcuni problemi addizionali:

1. la tensione in uscita dal generatore risultava superiore a quella richiesta dal pacco batterie;
2. la potenza del generatore elettrico non risultava compatibile con la circuiteria utilizzata per la ricarica delle batterie già presente a bordo veicolo;
3. la macchina elettrica necessitava di un sofisticato sistema di controllo per poter operare da motore elettrico in fase di avviamento del motore termico, e successivamente commutare il funzionamento in generatore elettrico.

Un secondo gruppo moto-generatore

I tempi richiesti per la risoluzione di questi problemi non sono però apparsi compatibili con le scadenze del progetto Leonardo. Si è quindi passati ad analizzare una seconda soluzione: un gruppo elettrogeno YANMAR S6000, un Diesel monocilindrico della potenza di 6 KW, raffreddato ad aria e dotato di avviamento elettrico. Questa soluzione, se pur con una potenza inferiore rispetto al generatore Lombardini, consentiva di superare i problemi elencati nei punti 1,2,3. In particolare, l'uscita della macchina elettrica, a 220 V, risultava direttamente collegabile alla presa di alimentazione esterna già presente sul veicolo. I dati tecnici del gruppo YANMAR S6000 sono reperibili a questo link.

Il sistema moto-generatore YANMAR	Il sistema moto-generatore YANMAR montato nel veicolo ibrido solare

Il gruppo YANMAR (subito ribattezzato "o' per e o' muss" per la sua somiglianza con i gruppi elettrogeni utilizzati dai venditori ambulanti della omonima specialità partenopea) è stato montato sul vano posteriore, utilizzando i supporti e parte delle lavorazioni già effettuate per il primo generatore. Si è poi reso necessario intervenire su un blocco di sicurezza presente sul veicolo, che disattivava la ricarica esterna delle batterie quando il veicolo era in moto.

Sono quindi stati realizzati i collegamenti per automatizzare l'accensione del motore, e sono stati collocati dei potenziometri su acceleratore e freno per poter acquisire i dati durante la guida.

Il rumore

Ovviamente, collocare un sistema moto-generatore nell'abitacolo non rappresenta proprio il massimo del comfort (e della sicurezza). E' stato quindi progettato e realizzato, con il supporto di Saggese, un setto di isolamento tra il vano motore e l'abitacolo, provvisto di un oblò con doppio vetro-camera per assicurare la visibilità posteriore al guidatore. Si è scelto di adoperare un sandwich di materiale isolante, costituito da una sottile lamina di piombo (visibile nella foto) e da una struttura spugnosa. In questo modo si riusciva ad ottenere un buon abbattimento del rumore rispettivamente nella zona delle basse e delle alte frequenze.

Vista del sistema di isolamento acustico.

Lavori in corso...

Al momento sono in corso i lavori per la realizzazione di un attuatore del carico del motore, in grado di regolare la potenza ed attuare lo spegnimento del sistema. Stiamo inoltre completando l'installazione del sistema di acquisizione e controllo dei pannelli e del veicolo...

alla prossima puntata...