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Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale | |
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Il Ministero della Università e della Ricerca (MIUR), nell'ambito dei Programmi di Ricerca Scientifica di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN 2008), ha approvato il finanziamento del progetto di ricerca biennale dal titolo "Modellazione e sviluppo di un sistema prototipale per la ibridizzazione di autoveicoli convenzionali", coordinato dal DIMEC dell'Università di Salerno ed in collaborazione con il DING dell'Università del Sannio. I risultati della ricerca saranno diffusi su questo sito e sul sito http://www.hysolarkit.com.
La scheda di valutazione del progetto è disponibile a questo link.
Tra i sistemi a
maggiore impatto energetico-ambientale, i trasporti rivestono un ruolo critico
in quanto principale causa d'inquinamento atmosferico ed acustico nelle aree
urbane e co-responsabili dell'aumento delle emissioni clima-alteranti. Tali
motivazioni hanno incentivato le attività di ricerca orientate alla definizione
di sistemi di trasporto a basso impatto ambientale. Parallelamente, la tendenza
a creare aree urbane con accessi limitati ai soli veicoli ad emissione zero
(ZEV) ha favorito lo sviluppo di nuove tecnologie imponendo l'uso di motori
elettrici. La realizzazione di vetture elettriche presenta però delle
limitazioni legate alla scarsa autonomia derivante dalla ridotta capacità
dei sistemi di accumulo dell'energia elettrica a bordo. Tali limitazioni hanno
alimentato lo sviluppo di sistemi ibridi realizzati accoppiando un motore termico
ed uno elettrico. L'opportuna combinazione tra i due sistemi ed un appropriato
sistema di accoppiamento meccanico e di controllo possono permettere di ottenere
una notevole riduzione dei consumi e delle emissioni. Inoltre, diversi studi
hanno mostrato come ulteriori riduzioni di consumi siano ottenibili integrando
i veicoli ibridi con pannelli fotovoltaici.
Ma, nonostante il recente successo commerciale dei veicoli ibridi, la loro quota
di penetrazione nel mercato è ancora insufficiente per produrre un impatto
significativo sui consumi energetici e sulla produzione di CO2 a livello mondiale,
né l'attuale fase di crisi economica rende prevedibile a breve una forte
sostituzione del parco circolante. Da qui la proposta di lavorare allo sviluppo
di sistemi che permettano di ottenere parte dei benefici relativi ai veicoli
ibridi e solari sui veicoli convenzionali, che rappresenteranno la parte preponderante
del parco circolante ancora per molti anni.
Il progetto ha quindi come obiettivi lo sviluppo di tecniche, metodologie ed
applicazioni prototipali finalizzate a trasformare autovetture tradizionali
in veicoli Mild-Solar-Hybrid, ed al relativo controllo dei flussi energetici.
In particolare
si prevede l'inserimento di ruote motorizzate elettricamente sull'assale posteriore
(in caso di veicoli a trazione anteriore) e l'integrazione di pannelli fotovoltaici.
L'architettura originale andrebbe arricchita con un pacco batterie addizionale
e, soprattutto, con un sistema di controllo che non interferisca con la centralina
originale ma si affianchi ad essa attraverso la porta OBD. Attraverso un'adeguata
strategia di controllo le macchine elettriche potrebbero effettuare la frenata
rigenerativa, quando si solleva il piede dall'acceleratore e/o quando si preme
il freno, alimentando il pacco batterie. In alternativa le stesse macchine elettriche
potrebbero erogare coppia motrice, affiancandosi al motore termico in modalità
ibrida, o sostituendosi ad esso in modalità puramente elettrica con il
motore termico spento (per esempio, nel traffico urbano). L'integrazione di
pannelli fotovoltaici (eventualmente orientabili per le fasi di parcheggio)
consentirebbe ulteriori risparmi di combustibile, come evidenziato dai proponenti
nel corso di precedenti progetti di ricerca sia nazionali (PRIN) che internazionali
(Leonardo).
La ricerca si rivolgerà allo studio delle strategie di controllo dei
propulsori con particolare riguardo alle problematiche di ottimizzazione energetica
del pacco batterie e dei pannelli fotovoltaici. Le esperienze scientifiche maturate
dai proponenti nel corso di progetti di ricerca precedenti, hanno infatti sottolineato
il ruolo chiave rivestito dal controllo delle batterie sulla gestione dei veicoli
ibridi, attraverso un adeguata stima dello stato di carica. Inoltre la presenza
dei pannelli fotovoltaici richiedere lo sviluppo di soluzioni specifiche con
riferimento alle strategie di controllo dello stato di carica, in quanto alle
classiche strategie di "Charge Sustaining", tipicamente adottate nei
veicoli ibridi elettrici, andrebbero sostituite opportune strategie di "Charge
Depletion", per tener conto della ricarica effettuata nella fase di parcheggio.
In tal senso l'efficienza del veicolo è fortemente subordinata al controllo
dei flussi di potenza tra le diversi sorgenti energetiche del veicolo. Tale
controllo risulta particolarmente impegnativo dal momento che i principali obiettivi
che ci si propone sono tra loro conflittuali: minimizzazione dei consumi, regolazione
dello stato di carica della batteria, guidabilità.
Lo stimatore dello stato di carica ed il sistema di gestione e controllo dei
flussi di potenza saranno infine testati attraverso simulazioni hardware-in-the-loop
e successivamente con prove su strada del prototipo di veicolo mild hybridized.
I test saranno definiti usando opportuni cicli di guida, per valutare consumi,
guidabilità, comfort, e stress della batteria nelle condizioni operative
più critiche.
The Italian Ministry of University and research (MIUR) has financed a two years research program on "Modeling and development of a prototype to enhance conventional vehicles with hybrid features.", coordinated by DIMEC of University of Salerno in cooperation with DING of University of Sannio. The research results will be presented on this site and at http://www.hysolarkit.com.
Transportation
has a marked impact on acoustic and atmospheric pollution in urban areas, on
fossil fuels depletion and on greenhouse effect. These motivations have given
a strong impulse toward the development of alternative propulsion systems for
automotive applications, since the conventional engine-driven vehicles intrinsically
present poor global efficiency and pollutant emissions. Furthermore the increasing
trend to create emissions-free urban areas accessed only by ZEV (zero emissions
vehicle), enhanced the development of new technologies based the use of electrical
motors. Nevertheless pure electric vehicle still present serious limitations
due to the poor autonomy offered by actual electric storage devices.
The hybrid electric vehicles (HEVs) seem to be a good and feasible solution
from energetic-environmental as well as industrial point of view. They are equipped
with an electrical traction system, composed of a set of batteries and an electric
motor/generator coupled with an internal combustion engine. A suitable management
of the two propulsion systems together with an appropriate mechanical transmission
allows achieving high global energy efficiency and significant reduction of
exhaust emissions. Furthermore, the integration of photovoltaic panels may suitably
combine the benefits provided by hybrid vehicles and solar cars, as evidenced
in former research projects leaded by the proposers.
But, despite the
recent commercial success of HEVs, their market share is still insufficient
to produce a significant impact on enegy consumption on a global basis. Moreover,
due to the present crisis, a substantial substitution of conventional vehicles
with HEVs is unlikely, at least in short time. Consequently, a more realistic
strategy could consist in developing solutions able to achieve part of the benefits
of hybrid and solar vehicles on conventional vehicles, which presumably will
represent the prevailing part of the fleet for many years.
The project is therefore focused on the development of techniques, methodologies
and prototype systems aimed at hybridizing conventional vehicles and managing
the on-board energy flows.
Mild-hybridization will be performed by installing in-wheel electric motors on the rear wheels (in case of front wheel drive) and by the integration of photovoltaic panels on the roof. The original architecture will be upgraded with the storage device (battery pack) and an additional control unit to be faced with the engine management system by the OBD port, and not interfering with the original engine control unit. By means of a suitable supervisory control of ICE and EMS the following working modes will be enabled: 1) Electric mode - the vehicle is powered by the EMs while the ICE is switched off. This mode is suitable for driving in urban areas where a great reduction of pollutant emissions is imposed; 2) Hybrid mode - the EM work as motor and assist the ICE in powering the vehicle; 3) Recharging mode - the ICE powers the EMs that work as electric generator to charge the battery pack. 4) Regenerative braking - during vehicle deceleration the EMs work as a generator to charge the battery pack, thus converting the vehicle kinetic energy into electrical energy. 5) Parking mode - the battery is recharged by solar panels, on a fixed or moving solar roof.
The research will
be devoted to the development of suitable control strategies of ICE and EMs,
accounting for the energy optimization of the overall system, including battery
pack and PV. The know-how gained from previous research projects evidenced the
key-role played by battery control on vehicle management via suitable state
of charge estimation. Furthermore the presence of solar panels may require to
study and develop specific solutions, since instead of the usual "charge
sustaining" strategies adopted in HEV, proper "charge depletion"
strategies have to be adopted, to account for the battery recharging during
parking. Actually the energy efficiency of a mild hybridized vehicle is strongly
related to the control of power flow among the different power sources of the
vehicle. This is a challenging problem because of the conflicting performance
objectives: fuel consumption minimization, state of charge regulation, drivability.
The SOC estimator and the power split controller will be experimentally tested
by using a dSPACE Hardware-In-the-Loop setup and with the vehicle prototype
developed in this project. Vehicle models will be simulated in real time by
using a HIL Mid-Size Simulator, whereas estimation and control algorithms will
be downloaded in a MicroAutoBox electronic control unit. The HIL tests will
be defined by using standard driving cycles for HEVs and then by adding specific
operating conditions based on critical and extreme situations, inspired from
experimental data. The performance of the prototype will be then evaluated on
the road, in terms of fuel consumption, drivability, comfort and battery stress.
